JP2008538517A - Conductive polymer nanowire brain-machine interface system and method - Google Patents

Abstract

本発明は、導電性ポリマーナノワイヤおよび安全で、堅固で、かつ侵襲性が最小の脳−マシンインターフェースにおけるそれらの使用に関する。本発明の第１の態様によれば、導電性ポリマーナノワイヤを備える、血管による脳−マシンインターフェースが開示される。  The present invention relates to conductive polymer nanowires and their use in a safe, robust and minimally invasive brain-machine interface. According to a first aspect of the invention, a vascular brain-machine interface comprising a conductive polymer nanowire is disclosed.

Description

本発明は、米国国立科学基金によって授与された国庫補助の助成金番号ＣＴＳ−０２２７５８９の下になされた。この譲渡の条項に従って、米国政府は本発明に対して一定の権利を有し得るものとする。   This invention was made under National Treasury Grant Number CTS-0227589 awarded by the National Science Fund. Subject to the terms of this assignment, the United States government may have certain rights to the invention.

近代社会における神経科学の役割を考えるとき、脳−マシンインターフェース（例えば人間の脳とコンピュータの間）の問題は、取り組むべき中心課題のうちの１つである。実際、容易に携帯されるように十分軽い新規の情報の分析および収納のシステムを設計し構築する能力は、過去数年で指数関数的に進歩した。最終的に、脳−マシンインターフェースが、恐らくそのようなシステムとの堅固で迅速な通信への大きな障害になるであろう。   When considering the role of neuroscience in modern society, the issue of brain-machine interfaces (eg between the human brain and the computer) is one of the central issues to be addressed. In fact, the ability to design and build new information analysis and storage systems that are light enough to be easily carried has advanced exponentially over the past few years. Eventually, the brain-machine interface will probably be a major obstacle to robust and rapid communication with such systems.

今日まで、脳−マシンインターフェースに向けた開発は、小型化またはコンピュータの能力拡張における進歩ほどすばらしいものではなかった。実際、大多数の最新デバイスの制約要因は、ヒューマンインターフェースに関するものである。例えば、ボタンは操作するのに十分大きくなければならず、ディスプレイは符号認識が可能であるほど大きくなくてはならない。明らかに、脳とそのようなデバイスのより直接的な関係を築くことが望ましく、恐らくますます重要になるであろう。   To date, developments towards brain-machine interfaces have not been as great as advances in miniaturization or computer expansion. In fact, the limiting factor of most modern devices is related to the human interface. For example, the button must be large enough to operate and the display must be large enough to allow code recognition. Clearly, it is desirable and perhaps more important to establish a more direct relationship between the brain and such devices.

従来の手段で、頭蓋の表面から脳活動を記録することができる。脳波記録法（ＥＥＧ）の場合には、電極が頭蓋上に配置され、記録動作が脳の表面で起こる。電磁式脳造影法（ＭＥＧ）の場合には、記録用プローブも表面に配置されるが、三角測量を通じて脳活動を３次元にマッピングすることができる。   Brain activity can be recorded from the surface of the skull by conventional means. In the case of electroencephalography (EEG), electrodes are placed on the skull and the recording operation takes place on the surface of the brain. In the case of electromagnetic brain angiography (MEG), a recording probe is also placed on the surface, but brain activity can be mapped in three dimensions through triangulation.

ＥＥＧおよびＭＥＧなどの方法は、侵襲性が最小である一方、頭皮と頭蓋によってもたらされる電磁界のゆがみのために、分解能が不十分なことおよび信号ひずみに苦慮する。既知の技術でこれらの制限を克服するには、頭蓋を開き脳の主要部の中へ電極を挿入する、はるかにより侵襲性の選択が必要となる。同様に、パーキンソン病などの何人かの患者向けに治療上行われるように脳を刺激するために、頭蓋を開いて電極を挿入しなければならない。   While methods such as EEG and MEG are minimally invasive, they suffer from poor resolution and signal distortion due to electromagnetic field distortions caused by the scalp and cranium. Overcoming these limitations with known techniques requires a much more invasive choice of opening the skull and inserting electrodes into the main part of the brain. Similarly, to stimulate the brain to be therapeutically performed for some patients such as Parkinson's disease, the skull must be opened and electrodes inserted.

脳とマシンのより直接的な関係の必要性が、ますます重要になるにつれて、ナノテクノロジー（ｎ−テクノロジー）の分野で変革が起こっている。ナノテクノロジーは、１マイクロメートル未満の特有の寸法を有する生産物を扱う。本発明者らは、脳−マシンのボトルネックがナノテクノロジーの応用を通じて最終的に解決されるであろうということを確信している。ナノスケール電子回路と結合されたナノスケールの電極プローブの利用が、この点に関して有望と思われる。   As the need for a more direct relationship between the brain and the machine becomes more and more important, changes are taking place in the field of nanotechnology (n-technology). Nanotechnology deals with products that have unique dimensions of less than 1 micrometer. We are convinced that the brain-machine bottleneck will eventually be resolved through the application of nanotechnology. The use of nanoscale electrode probes combined with nanoscale electronic circuits seems promising in this regard.

今日まで、最も微細な電極はガラスから引き出されている。これらの微小電極は直径１ミクロン未満のチップを有し、導電性溶液で充填される。それらは、一般に、神経細胞および筋細胞からの細胞内記録に使用される。一度に１個のセルからしか動作が記録されないという制限がある。しかし、多重電極配列を使用して、１００個を上回る個別のセルからの記録を得ることが可能であった。それにもかかわらず、これは電極が頭蓋の表面から脳へ下げられるので、侵襲性の処理である。   To date, the finest electrodes have been drawn from glass. These microelectrodes have tips less than 1 micron in diameter and are filled with a conductive solution. They are commonly used for intracellular recordings from neurons and muscle cells. There is a limitation that operations can only be recorded from one cell at a time. However, it was possible to obtain records from over 100 individual cells using a multi-electrode array. Nevertheless, this is an invasive process because the electrodes are lowered from the surface of the skull to the brain.

脳内の多数の点を調べることに加えて、こうして捕えられた多数の信号を意味のあるやり方で処理し分析することも必要である。脳内の複数の位置からの信号を処理して表示する方法は、動物に対する多重電極の研究および人間の被験者に対するＭＥＧの研究向けに開発されてきた。   In addition to examining many points in the brain, it is also necessary to process and analyze the many signals thus captured in a meaningful way. Methods for processing and displaying signals from multiple locations in the brain have been developed for multi-electrode studies on animals and MEG studies on human subjects.

タップを付け、アドレス指定し、かつ脳活動を解析するための堅固で非侵襲性の方法が、将来の脳−マシン相互作用のために最適化され、例えば米国で公開された特許出願第２００４／０１３３１１８号に開示されており、これを参照により本明細書に合体する。しかし、より優れた生物学的適合性および生分解を有し、したがってより優れた脳インターフェースを可能にするナノワイヤの用途に対する必要性が存在する。具体的には、血液と生体適合物質の間の接触が、凝固および補体系の急速な活性化をもたらす。一方トロンビンおよび他の活性化された凝固因子は、高い血流条件下で薄められ得て、ナノワイヤの挿入が血流を変えることができ、または血流の血小板の付着を助長することができる乱流をもたらす。多くのポリマーは生物学的適合であるが、すべてが分解できるとは限らない。分解または溶解は、ポリマーの形状、サイズまたは質量を変化させる。ポリマーが分解する最も一般的なモードが加水分解であるが、酸化および酵素で、細胞分解または微生物分解も起こり得る。ナノワイヤのより優れた生物学的適合性によって、血流の乱れをより少なくし、脳にタップを付け、アドレス指定し、かつ解析する能力が高まることになる。   A robust, non-invasive method for tapping, addressing and analyzing brain activity has been optimized for future brain-machine interactions, eg, patent application 2004/2004 published in the United States. No. 0133118, which is incorporated herein by reference. However, there is a need for nanowire applications that have better biocompatibility and biodegradation and thus allow for better brain interfaces. Specifically, contact between blood and biocompatible materials results in rapid activation of the coagulation and complement system. Thrombin and other activated clotting factors, on the other hand, can be diluted under high blood flow conditions, and nanowire insertion can alter blood flow or can disrupt blood flow platelet adhesion. Bring a flow. Many polymers are biocompatible, but not all can be degraded. Degradation or dissolution changes the shape, size or mass of the polymer. Hydrolysis is the most common mode in which polymers degrade, but cellular and microbial degradation can also occur with oxidation and enzymes. The better biocompatibility of nanowires will result in less disruption of blood flow and increased ability to tap, address and analyze the brain.

同様に、現在の金属電極は、容易に曲げられるか、またはわずかな力の印加で破損さえする。そのため、より優れた柔軟性および疲労に対する耐性を有し、血液内の微粒子による衝撃に耐える、より抵抗力のあるナノワイヤの必要性がある。   Similarly, current metal electrodes are easily bent or even break with the application of a slight force. Therefore, there is a need for more resistant nanowires that have better flexibility and resistance to fatigue and withstand the impact of particulates in blood.

マシンと相互作用する手段としての働きに加えて、脳−マシンインターフェースは、多くの神経学的症状および精神異常の診断および治療にも有効であり得る。   In addition to serving as a means of interacting with the machine, the brain-machine interface can also be effective in the diagnosis and treatment of many neurological symptoms and mental disorders.

その上、現在の金属電極は、ワイヤの軸芯に沿って長手方向にも横方向にも電気を通す。そのため、多くの神経学的症状および精神異常の治療および試験のために、充電位置によりよく導くように、長手方向にのみ電気を通すことができるナノワイヤの必要性がある。同様に、現在の電極は任意の軸に沿って選択的に偏向することができず、したがってそれらが導かれ得る先の特定性に制限がある。
米国特許出願第２００４／０１３３１１８号明細書 米国特許第６２４９０７６号明細書 米国特許第６１５７１１３号明細書 米国特許第６０８４３２１号明細書 Ｗａｎｇ、Ｐｈａｒｍ．Ｒｅｓ．（２００４）２１、１３６２−１３７３ Moreover, current metal electrodes conduct electricity both longitudinally and laterally along the axis of the wire. Therefore, there is a need for nanowires that can conduct electricity only in the longitudinal direction to better guide the charging location for the treatment and testing of many neurological symptoms and mental disorders. Similarly, current electrodes cannot be selectively deflected along any axis, thus limiting the specificity with which they can be directed.
US Patent Application No. 2004/0133118 US Pat. No. 6,249,076 US Pat. No. 6,157,113 US Pat. No. 6,084,321 Wang, Pharm. Res. (2004) 21, 1362-1373

ポリマーが絶縁物として働く能力は、それらが電気分野および電子分野で広範囲に使用されるための基本である。しかし、材料設計者は、ポリマーの製造上の融通性を金属の多くの電気的性質と組み合わせようと努めてきた。帯電防止材、低融点ヒータ、電磁放射遮蔽および電界グレーディングを必要とする用途などで、ポリマーの向上した導電性または比誘電率が保証された例がある。ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール他などいくつかの選ばれたポリマーは、ドーピングによって真性の電子導電性を示すように仕向けることができるが、これらのシステムは、多くの場合ひどく費用がかかり商品に仕上げるのが困難になる傾向がある。   The ability of polymers to act as insulators is fundamental for their widespread use in the electrical and electronic fields. However, material designers have sought to combine polymer manufacturing flexibility with the many electrical properties of metals. There are examples where the improved conductivity or dielectric constant of the polymer is guaranteed, such as in applications requiring antistatic materials, low melting heaters, electromagnetic radiation shielding and electric field grading. Some selected polymers, such as polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, etc., can be tailored to show intrinsic electronic conductivity by doping, but these systems are often very expensive and can be finished into a product. Tend to be difficult.

本発明は、導電性ポリマーナノワイヤおよび安全で、堅固で、かつ侵襲性が最小の脳−マシンインターフェースにおけるそれらの使用に関する。本発明の第１の態様によれば、導電性ポリマーナノワイヤを備える、血管による脳−マシンインターフェースが開示される。   The present invention relates to conductive polymer nanowires and their use in a safe, robust and minimally invasive brain-machine interface. According to a first aspect of the invention, a vascular brain-machine interface comprising a conductive polymer nanowire is disclosed.

神経系実質組織に豊富な血管床が広がるという事実によって、このスペースが脳−マシンインターフェース用に非常に魅力的な領域になる。脳質量へのガス交換および栄養素配送が、約１０ミクロンの直径を有する２５，０００メートルにわたる毛細血管を介して脳内で行われる。心臓に向って移動すると、血管の直径は急激に増加し、最終の直径は２０ミリメートルを上回る。   The fact that the abundant vascular bed spreads in the nervous system parenchyma makes this space a very attractive area for the brain-machine interface. Gas exchange and nutrient delivery to the brain mass takes place in the brain via 25,000 meters of capillaries with a diameter of about 10 microns. As it moves toward the heart, the diameter of the blood vessel increases rapidly, with the final diameter exceeding 20 millimeters.

本発明は、導電性の電極上に電気化学的堆積によって合成され得て導電性ポリマーのナノワイヤおよびマイクロワイヤを製造し得る導電性ポリマーを使用する。導電性ポリマーナノワイヤ技術は、ナノテクノロジーの電子記録活動と結合され、および／または脈管系を介して神経系、例えば脳または脊髄を刺激する。本発明によって、医学および特にインターベンショナル神経放射線学で広範に使用されているカテーテル技術により、血管床を介して脳に配送される絶縁された多数の導電性ポリマーナノプローブによって神経系がアドレス指定されることが可能になる。   The present invention uses conductive polymers that can be synthesized by electrochemical deposition on conductive electrodes to produce nanowires and microwires of conductive polymers. Conductive polymer nanowire technology is combined with nanotechnology's electronic recording activities and / or stimulates the nervous system, such as the brain or spinal cord, via the vascular system. In accordance with the present invention, the nervous system is addressed by a number of insulated conductive polymer nanoprobes that are delivered to the brain through the vascular bed, with catheter technology widely used in medicine and particularly in interventional neuroradiology. Can be done.

本発明によれば、記録装置の例示の実施形態は、脳の脈管系の特定の部分の中へ「花束」配置で広げられ得るようにカテーテル内の電子回路につながれた１組の導電性ポリマーナノワイヤ（ｎ−ワイヤ）を備える。そのような配置は、極めて多数（例えば数百万）のプローブを支持することができる。各導電性ポリマーナノワイヤは、脳実質に侵入することなく単一ニューロンまたはニューロンの小さな群の電気的活動を記録するために使用される。そのような導電性ポリマー、導電性ポリマーナノワイヤの配列の利点は、その小さなサイズによって、血流、ガス交換または栄養素交換の妨げにならず、また脳活動を乱さないことである。   In accordance with the present invention, an exemplary embodiment of a recording device is a set of conductive tethered to electronic circuitry within a catheter so that it can be spread in a “bouquet” arrangement into a particular portion of the cerebral vasculature. Polymer nanowires (n-wires) are provided. Such an arrangement can support a very large number (eg, millions) of probes. Each conductive polymer nanowire is used to record the electrical activity of a single neuron or a small group of neurons without invading the brain parenchyma. The advantages of such conductive polymer, conductive polymer nanowire arrays are that their small size does not interfere with blood flow, gas exchange or nutrient exchange and does not disturb brain activity.

本発明の技術は、脳の異常な働きの診断および治療にも適用可能である。そのような技術によって、脳活動の持続的な監視および機能的な結像ならびに直接的な調整が可能になる。例えば、本発明によって、刺激されるべき脳の領域へ導電性ポリマーナノワイヤまたは花束状ナノワイヤを導入し、ワイヤを選択的に偏向させて長手方向に導電性を生成することによりその領域へ電流を選択的に導くことによって、従来の脳深部電気刺激法の進歩した変形形態を実施することができる。   The technology of the present invention can also be applied to diagnosis and treatment of abnormal brain functions. Such techniques allow continuous monitoring and functional imaging and direct adjustment of brain activity. For example, the present invention introduces conductive polymer nanowires or bouquet-like nanowires into a region of the brain to be stimulated, and selectively deflects the wire to create electrical conductivity in the longitudinal direction to select current to that region Leading to an advanced variant of the conventional deep brain stimulation method.

本発明を用いて、血管内のニューロンの記録を増幅し、処理して、コンピュータのインターフェースまたは人工器官の制御用に使用することができる。コンピュータ機器の制御には、今日キーボードおよびマウスなどのデバイスの操作があるのと非常によく似て、ニューロンの活動がユーザ入力になる。脊髄またはそれ以外の傷によって神経供給から切り離された生来の手足の運動を制御するために、そのような入力信号も使用することができるであろう。したがって、「知的な」デバイスとの直接のインターフェースは、健康な個人の生活の質を大いに改善することができる一方で、身体障害者に影響を与えることもできて、日常の活動により十分に関与することができるようにする。   The present invention can be used to amplify and process neuronal recordings in blood vessels and use them for computer interface or prosthesis control. The control of computer equipment is very similar to the operation of devices such as keyboards and mice today, and neuronal activity becomes user input. Such input signals could also be used to control the movement of the native limbs that are disconnected from the nerve supply by the spinal cord or other wounds. Thus, a direct interface with an “intelligent” device can greatly improve the quality of life of a healthy individual, while also being able to affect disabled people, making it more adequate for daily activities. Be able to get involved.

侵襲性が最小で脳から記録を得ることは、神経病学および精神医学の有効な診断ツールであり得る。それは、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）と結合すると、脳内深部の活動の場所を正確に突き止めることができて機能的な画像をもたらす。本発明による血管内の導電性ポリマーのナノ電極の装置は、現行の頭蓋を開く必要性なしで、局所的な深い脳刺激用にも使用することができる。血管内の導電性ポリマーのナノ電極を治療の刺激に使用することの利点の１つに、刺激する電極の位置を容易に調整できることがある。そのような調整は、今日使用されている埋め込みの刺激電極では困難である。   Obtaining records from the brain with minimal invasiveness can be an effective diagnostic tool in neurology and psychiatry. When combined with magnetic resonance imaging (MRI), it can pinpoint the location of deep brain activity and yield a functional image. The intravascular conducting polymer nanoelectrode device according to the present invention can also be used for local deep brain stimulation without the need to open the current skull. One advantage of using intravascular conductive polymer nanoelectrodes for therapeutic stimulation is the ability to easily adjust the position of the stimulating electrode. Such adjustment is difficult with the implanted stimulation electrodes used today.

本発明のナノテクノロジー／血管手法による脳−マシンインターフェースは、ナノメートル級の導電性ポリマー電極が十分に小さく、多数の電極でも、脳の完全性を侵さずにインターフェースを撤去することができるので回復可能であるという利点を有する。   The brain-machine interface with the nanotechnology / vascular approach of the present invention recovers because nanometer-class conductive polymer electrodes are small enough that even a large number of electrodes can be removed without compromising the integrity of the brain It has the advantage of being possible.

上記本発明の概要で論じられた本発明の他の目的、特徴および利点は、好ましい実施形態の単なる例示である以下の詳細な説明から、添付図面と一緒に考慮するとより明らかに理解されるであろう。   Other objects, features and advantages of the present invention discussed in the Summary of the Invention above will be more clearly understood from the following detailed description which is merely exemplary of the preferred embodiment when considered in conjunction with the accompanying drawings. I will.

本発明は、脳−マシンインターフェースで利用することができる導電性ポリマーナノワイヤを提供する。ナノワイヤの準備は、任意選択で、絶縁ポリマーで基体を被覆すること、基体または絶縁ポリマーで被覆された基体を従来手法によって金属バッキング層または導電バッキング層で被覆すること、モノマーまたはモノマーと活性体の混合物を使用して基体または金属被覆基体をポリマーで電気化学的に被覆すること、任意選択であらかじめ被覆された基体をドーピングエージェントでドープして導電性ポリマーナノワイヤを得ることを含んでよい。   The present invention provides conductive polymer nanowires that can be utilized in brain-machine interfaces. The nanowire preparation may optionally include coating the substrate with an insulating polymer, coating the substrate or substrate coated with an insulating polymer with a metal backing layer or conductive backing layer in a conventional manner, monomer or monomer and activator. The mixture may be used to electrochemically coat a substrate or metal-coated substrate with a polymer, optionally doping a pre-coated substrate with a doping agent to obtain a conductive polymer nanowire.

ほとんどの用途については、導電性ポリマーナノワイヤは、一般にナノワイヤの全長に沿って（チップ部分は含まずに）延びる絶縁層を伴って提供される。これは気相成長技術を使用して成され得る、絶縁体（例えばパリレン）で導電性ポリマーナノワイヤを被覆することによって達成することができる。一実施形態では、ピンホールがなく導電材料を十分に絶縁するほど十分に厚いパリレンの１００ｎｍの層が使用される。下にある導電性ポリマーをさらすために、レーザアブレーションを使用して、チップ部分からパリレン被覆を除去してよい。   For most applications, conductive polymer nanowires are provided with an insulating layer that generally extends along the entire length of the nanowire (not including the tip portion). This can be accomplished by coating the conductive polymer nanowires with an insulator (eg, parylene), which can be accomplished using vapor deposition techniques. In one embodiment, a 100 nm layer of parylene is used that is thick enough to have no pinholes and sufficiently insulate the conductive material. Laser ablation may be used to remove the parylene coating from the tip portion to expose the underlying conductive polymer.

導電性ポリマーナノワイヤのチップが露出した状態で（すなわちあらゆる絶縁体が除去された状態で）、ナノワイヤのチップ領域のある特性を向上させるかまたは低減させるために、チップ領域をさらに処理してよい。例として、露出したチップ領域は、概算でナノワイヤの直径程度の全長を有してよい。したがって、ナノワイヤの直径が１０μｍであると、露出したチップ領域は１〜２０μｍの範囲の全長を有し得る。チップ領域の処理は、ナノワイヤのチップ領域の特性を制御するために選択的に行われてよい。例えば、チップ領域の導電率は、チップ領域にある材料を加えることにより向上または低下し得る。また、ある化学物質または材料に対するチップの親和力を向上または低下させるために、ある物質が加えられてよい。   With the conductive polymer nanowire tip exposed (ie, with any insulator removed), the tip region may be further processed to improve or reduce certain properties of the nanowire tip region. As an example, the exposed tip region may have a total length that is approximately the diameter of the nanowire. Therefore, if the diameter of the nanowire is 10 μm, the exposed chip region may have a total length in the range of 1 to 20 μm. The processing of the tip region may be selectively performed to control the properties of the tip region of the nanowire. For example, the conductivity of the chip area can be improved or decreased by adding material in the chip area. Also, certain substances may be added to improve or decrease the affinity of the chip for certain chemical substances or materials.

導電性ポリマーナノワイヤのチップ領域では、ナノワイヤを構成する材料の個々の素線は一般に「ほつれ」ていて、ロープを構成している個々のより線に似ている。この「ほつれ」は、チップ領域でナノワイヤの直径に影響を与えることがあるし、与えないこともある。いくつかの例ではナノワイヤの直径がほとんど増加しないことがあるが、一方他の例では、５０％程度増加することがある。ナノワイヤの直径が増加すると、ナノワイヤは、例えば、ミクロトームブレードまたはレーザトリミングプロセスを使用して選択的に「削られ」または整えられてよい。   In the tip region of conductive polymer nanowires, the individual strands of the material comprising the nanowire are generally “frayed” and resemble the individual strands comprising the rope. This “fraying” may or may not affect the nanowire diameter in the tip region. In some examples, the nanowire diameter may increase little, while in other examples it may increase by as much as 50%. As the nanowire diameter increases, the nanowire may be selectively “shaved” or trimmed using, for example, a microtome blade or a laser trimming process.

ナノワイヤの終端の「ほつれ」は、ナノワイヤを構成する物質の露出表面領域を増加する働きをするポケットまたは開口を基本的に生成する。ナノワイヤのチップ領域のこの増加した表面積は、次いで、チップ領域で選択的に別の物質を加えるために電気化学的な浸漬または成長プロセスを受けてよい。実現されることが望まれる向上または機能に基づいて、特定の物質が加えられる。例えば、ナノワイヤのチップ領域の導電率向上が望まれるのであれば、チップ領域に白金が加えられる。チップに加えられる物質は、複数の異なったやり方で加えられてよい。例えば、そのようなプロセスは、電子線蒸着などの電着、無電解メッキまたは気相成長を含み得る。   The “fray” at the end of the nanowire essentially creates a pocket or opening that serves to increase the exposed surface area of the material comprising the nanowire. This increased surface area of the nanowire tip region may then be subjected to an electrochemical immersion or growth process to selectively add another material at the tip region. Specific substances are added based on the improvements or functions that are desired to be realized. For example, if it is desired to improve the conductivity of the nanowire tip region, platinum is added to the tip region. The material added to the chip may be added in a number of different ways. For example, such processes can include electrodeposition such as electron beam evaporation, electroless plating or vapor deposition.

チップ領域に金属が加えられる場合、任意選択の後続の段階が金属を金属塩に変え得るはずである。これは、例えば電気化学的に金属を金属塩に変換することにより実現され得る。例えば、ナノワイヤ上に蒸着される銀などの金属の場合には、当技術で周知のように、電流を使用することによって、電気的に銀が塩化銀に変換され得る。   If metal is added to the chip area, an optional subsequent step could convert the metal to a metal salt. This can be achieved, for example, by electrochemically converting the metal to a metal salt. For example, in the case of a metal such as silver deposited on the nanowire, silver can be converted electrically to silver chloride by using an electrical current, as is well known in the art.

絶縁外層を設けることの代替形態として、本発明で使用される導電性ポリマーナノワイヤは、長手方向にのみ導電性であるように製作され得て、ナノワイヤを構成するポリマー鎖の分子構造のためにそのような配向された導電性を示す。そのために、実際には半径方向に導電性がなく、長手方向の導電率が半径方向のものより１０桁またはそれ以上の大きさである。そのようなポリマーナノワイヤの場合には、ワイヤの側方への導電性がないので個別の絶縁体層を設ける必要性がない。   As an alternative to providing an insulating outer layer, the conductive polymer nanowires used in the present invention can be fabricated to be conductive only in the longitudinal direction and because of the molecular structure of the polymer chains that make up the nanowires Such oriented conductivity is exhibited. Therefore, in practice, there is no electrical conductivity in the radial direction, and the longitudinal conductivity is ten orders of magnitude or more than that in the radial direction. In the case of such polymer nanowires, there is no need to provide a separate insulator layer since there is no electrical conductivity to the side of the wire.

本発明とともに使用するための導電性ポリマーは、モノマーから合成されたポリマー、生体高分子、およびドープされた絶縁ポリマーを含むがこれには限定されない。導電性ポリマーワイヤを作製するために使用されるモノマーは、アニリン、ピロール、３−メチルピロール、アニシジンおよびトルエジエン（ｔｏｌｕｅｄｉｅｎｅ）などの窒素を含む芳香族化合物または複素環式化合物から成る群から選択される。好ましい導電性ポリマーは、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンおよびポリエチレンジオキチオフェン（ポリＥＤＯＴ）を含むが、これらには限定されない。好ましい実施形態では、金属要素を含まないがその導電性が金属の働きを示すように導電性ポリマーを作製することができる。これらポリマーの導電性は、強いσ結合ならびに共有複合π結合による電子の非局在化の結果であると信じられている。ポリマー内部の電荷移送は、ポリマーの中軸に沿ったもの（鎖内伝達）ならびにチェーン間のもの（鎖間伝達）の両方で起こる。   Conductive polymers for use with the present invention include, but are not limited to, polymers synthesized from monomers, biopolymers, and doped insulating polymers. The monomer used to make the conductive polymer wire is selected from the group consisting of nitrogen-containing aromatics or heterocyclic compounds such as aniline, pyrrole, 3-methylpyrrole, anisidine and toluediene. . Preferred conductive polymers include, but are not limited to, polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene and polyethylene dioxothiophene (polyEDOT). In a preferred embodiment, the conductive polymer can be made such that it does not contain a metal element, but its conductivity exhibits the function of a metal. The conductivity of these polymers is believed to be the result of electron delocalization due to strong σ bonds as well as covalent complex π bonds. Charge transfer within the polymer occurs both along the middle axis of the polymer (intrachain transmission) as well as between chains (interchain transmission).

好ましい実施形態では、導電性ポリマーはｎ型にドープされるかまたはｐ型にドープされる。ポリアセチレンなど比較的絶縁性のポリマーにドーピング元素を加えることによって、高い真性導電率を得ることができる。使用されるドーパントのタイプおよびレベルを調整することによって、導電性ポリマーは、１０^３から１０^９Ｓ／ｍの範囲の導電性を有するように合成することができる。適当なドーピング元素は、Ｂｒ_２、Ｃｌ_２、Ｉ_２およびＡｓＦ_５を含む。ポリマーにドーパントを加えるのに伴って、電荷的中性を維持するために電子またはホールを注入しなければならない。ポリマーが合成されている間に、または合成が完了した後に、ドーピングは、好ましくは化学的に、電気化学的に、あるいは光子吸収によって、実現されてよい。 In preferred embodiments, the conductive polymer is doped n-type or p-type. High intrinsic conductivity can be obtained by adding a doping element to a relatively insulating polymer such as polyacetylene. By adjusting the type and level of dopant used, the conductive polymer can be synthesized to have a conductivity in the range of 10 ³ to 10 ⁹ S / m. Suitable doping elements _include Br _2, Cl _{2, I 2} and AsF _5. As dopants are added to the polymer, electrons or holes must be injected to maintain charge neutrality. During the synthesis of the polymer or after the synthesis is complete, doping may be accomplished preferably chemically, electrochemically or by photon absorption.

いくつかの実施形態では、ドーピングレベルは、標準的な方法を用いて、化学的または電気化学的に切り換えることができる。ドーピングレベルを切り換えると、導電性ポリマーワイヤの導電性に劇的に影響を与えることができ、脳−マシンインターフェースの中へ組み込んだ後にポリマーワイヤ内の電荷に対する制御が向上する。好ましい実施形態では、ドーピングレベルは、電気信号によって半導体から導体（金属）まで連続的に切り換えることができる。そのプロセスは、以下に概略的に図示される。   In some embodiments, the doping level can be switched chemically or electrochemically using standard methods. Switching the doping level can dramatically affect the conductivity of the conductive polymer wire, improving control over the charge in the polymer wire after incorporation into the brain-machine interface. In a preferred embodiment, the doping level can be switched continuously from semiconductor to conductor (metal) by means of electrical signals. The process is schematically illustrated below.

ドーピングレベルの切り換えに伴って、色および体積などの特性を調整することができる。例えば、ポリピロール（ｐｏｌｙｐｙｒｏｌｅ）またはポリＥＤＯＴのドーピングレベルを切り換えることにより体積を変化させることができる。ポリマー合成がモノマーを使用するだけで行われるとき、ドーピングは任意選択で行われる。   Properties such as color and volume can be adjusted as the doping level is switched. For example, the volume can be changed by switching the doping level of polypyrrole or polyEDOT. Doping is optional when the polymer synthesis is performed using only monomers.

好ましい実施形態では、ドーピングは恒久的かまたは可逆的である。ドーピングが可逆的であると、電気化学的に制御可能な抵抗を有する導電性ポリマートランジスタを作製することができる。ポリピロール用の酸化還元サイクルの分子のスペース充填モデルが、図４に見られる。   In preferred embodiments, the doping is permanent or reversible. If the doping is reversible, a conductive polymer transistor having an electrochemically controllable resistance can be produced. A molecular space-filling model of the redox cycle for polypyrrole can be seen in FIG.

導電性ポリマーは、導電性電極上への電気化学的堆積によって合成することができる。電気化学的重合によって、電気回路を通して渡された電子の量によってポリマー成長を精密に制御することが可能になる。電極の動作端で起こる反応が以下に示されており、この例はポリピロールのものである。   Conductive polymers can be synthesized by electrochemical deposition on a conductive electrode. Electrochemical polymerization allows the polymer growth to be precisely controlled by the amount of electrons passed through the electrical circuit. The reaction that occurs at the working end of the electrode is shown below, an example of that for polypyrrole.

導電性ポリマーナノワイヤの製作の詳細は、例えば米国特許第６２４９０７６号、米国特許第６１５７１１３号および米国特許第６０８４３２１号に見出され得る。これらの内容を参照によって本明細書にまとめて合体する。   Details of making conductive polymer nanowires can be found, for example, in US Pat. No. 6,249,076, US Pat. No. 6,157,113 and US Pat. No. 6,084,321. These contents are incorporated herein by reference in their entirety.

合成時に対イオンが組み込まれ、ポリマー鎖の間に挿入される。重合は、酸化したモノマーのチェーン成長結合によってラジカルカチオンの形で起こると考えられる。一旦溶解限に到達すると、溶液から作用電極上に重合されたオリゴマーが沈殿する。図１Ａおよび図１Ｂに電気化学的合成電池の概略図が見られる。導電性ポリマーのナノワイヤおよびマイクロワイヤは、電気化学的に成長したポリマーフィルムをスライスすることによって製造される。これらのワイヤの一例が、図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃに見られる。   During synthesis, a counter ion is incorporated and inserted between the polymer chains. Polymerization is thought to occur in the form of radical cations by chain growth bonding of oxidized monomers. Once the solubility limit is reached, polymerized oligomers precipitate from the solution onto the working electrode. A schematic diagram of an electrochemical synthesis cell can be seen in FIGS. 1A and 1B. Conductive polymer nanowires and microwires are produced by slicing electrochemically grown polymer films. An example of these wires can be seen in FIGS. 2A, 2B and 2C.

一実施形態では、導電性ポリマーナノワイヤは、適切な寸法のポリマーファイバを導電性材料で被覆することによって作製される。好ましい実施形態では、導電性ポリマー材料で被覆されるポリマーファイバはエレクトロスピニングされたポリマーまたはカーボンナノチューブである。別の好ましい実施形態では、ファイバテンプレートは、長さが少なくとも約１ｍｍで直径が約１μｍ未満である。   In one embodiment, conductive polymer nanowires are made by coating an appropriately sized polymer fiber with a conductive material. In a preferred embodiment, the polymer fiber coated with the conductive polymer material is an electrospun polymer or carbon nanotube. In another preferred embodiment, the fiber template is at least about 1 mm in length and less than about 1 μm in diameter.

エレクトロスピニングされたポリマーからポリマーファイバテンプレートを作製するとき、広範囲のポリマーを使用することができる。特定の実施形態では、エレクトロスピニングされたポリマーは、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンおよびポリエチレンジオキチオフェン（ポリＥＤＯＴ）または生体高分子（絹を含むがこれに限定されない）を含むがこれらに限定されない合成ポリマーである。絹で絶縁された導電性ポリマーワイヤは、標準的な技術を用いて、ファイバ上の化学重合により溶液中または蒸気中で作製することができる。絹は、強いにもかかわらず生物学的適合性のあるポリマーとしてのその特性のために特に好ましい基体である。   A wide range of polymers can be used when making polymer fiber templates from electrospun polymers. In certain embodiments, the electrospun polymer includes, but is not limited to, polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene and polyethylene dioxythiophene (polyEDOT) or biopolymer (including but not limited to silk). It is a synthetic polymer. Conductive polymer wires insulated with silk can be made in solution or in vapor by chemical polymerization on the fiber using standard techniques. Silk is a particularly preferred substrate because of its properties as a strong yet biocompatible polymer.

カーボンナノチューブからポリマーファイバテンプレートを作製するとき、カーボンナノチューブは、スピニング法、リソグラフィパターニングまたは標準的な技術を用いて個々の大きな直径のナノチューブを使用することによって作製することができる。カーボンナノチューブは、強く高導電性のテンプレートをもたらすことにより、恒久的な用途向けに特に好まれる。好ましい実施形態では、カーボンナノチューブの導電性ポリマーワイヤは、ファイバ上に所望のポリマーを電着させて、次に絶縁被膜を施すことにより作製される。   When making a polymer fiber template from carbon nanotubes, the carbon nanotubes can be made by using individual large diameter nanotubes using spinning methods, lithographic patterning or standard techniques. Carbon nanotubes are particularly preferred for permanent applications by providing strong and highly conductive templates. In a preferred embodiment, the carbon nanotube conductive polymer wire is made by electrodepositing the desired polymer on the fiber and then applying an insulating coating.

導電性ポリマーのマイクロワイヤまたはナノワイヤは、独立型導電性ポリマーフィルムをスライスすることにより作製されてよい。そのようなフィルムを準備する複数のやり方およびそれらをスライスする複数のやり方がある。フィルムは、２つの電極の電池内での電着によって作製することができるポリピロールフィルムでよい。アノードとしてガラス質のカーボンが使用され、カソードとして銅が使用される。電池は、１％（体積）の蒸留水、０．０５ｍｏｌ／Ｌのピロールおよび０．０５ｍｏｌ／Ｌのテトラエチルアンモニウムヘキサフルオロホスファートを含む、−４０℃に冷やされたプロピレンカーボネート溶液で充填される。電池によって電流が流されると、アノード上にポリピロールフィルムが形成する。結果として生じるフィルムは、一般に５μｍと５０μｍの間の厚さを有し、個々の厚さは、アノードにおける電流密度および合計の堆積時間を変えることにより実現される。他のタイプの導電性ポリマーフィルムは、回転成形、落下成形、回転、無電解メッキまたは当技術において周知の他のプロセスによって準備されてよい。   Conductive polymer microwires or nanowires may be made by slicing a stand-alone conductive polymer film. There are multiple ways to prepare such films and multiple ways to slice them. The film may be a polypyrrole film that can be made by electrodeposition of two electrodes in a battery. Vitreous carbon is used as the anode and copper is used as the cathode. The battery is filled with a propylene carbonate solution cooled to −40 ° C. containing 1% (volume) distilled water, 0.05 mol / L pyrrole and 0.05 mol / L tetraethylammonium hexafluorophosphate. When current is passed by the battery, a polypyrrole film is formed on the anode. The resulting film generally has a thickness between 5 μm and 50 μm, and individual thicknesses are achieved by varying the current density at the anode and the total deposition time. Other types of conductive polymer films may be prepared by rotational molding, drop molding, rotational, electroless plating or other processes well known in the art.

マイクロワイヤまたはナノワイヤはポリピロールフィルムから準備される。例示の一実施形態では、ポリピロールフィルムは、約２ｃｍ×２ｃｍのピースに切断される。小さな長方形の容器が中ほどまで蒸留水で充填され、ポリピロールフィルムが水の表面上に浮かせられる。次いで、容器は、水が完全に凍結するまで冷凍装置に置かれる。ポリピロールフィルムおよび氷の上に蒸留水の層が加えられ、次に冷凍される。結果として生じる氷の塊は、次いでその容器から取り除かれ、埋め込む化合物とともにクライオ−ミクロトームステージに、ポリピロールフィルムがこのステージに対して垂直に配向されるように固定される。   Microwires or nanowires are prepared from polypyrrole film. In one exemplary embodiment, the polypyrrole film is cut into approximately 2 cm × 2 cm pieces. A small rectangular container is filled to the middle with distilled water and the polypyrrole film is floated on the surface of the water. The container is then placed in the freezer until the water is completely frozen. A layer of distilled water is added over the polypyrrole film and ice and then frozen. The resulting ice mass is then removed from the container and secured to the cryo-microtome stage with the embedding compound so that the polypyrrole film is oriented perpendicular to this stage.

次いで、取り付けられたポリピロールフィルムは、クライオ−ミクロトーム（例えば、ミズーリ州セントルイスのＶｉｂｒａｔｏｍｅ社から入手可能なＵｌｔｒａＰｒｏ ５０００）上でスライスされる。例示の実施形態では、断面厚さは、正方形断面ワイヤを作製するようにフィルム厚さと等しく選択される。もちろん、任意の厚さおよび任意の断面形状も、特定の用途および作製する所望のマイクロワイヤまたはナノワイヤのタイプ次第で選択されてよいことを理解されたい。ワイヤは、スライドガラス上のミクロトームから収集され、室温に暖められて乾燥される。ポリ（エチレンオキシド）のジクロロメタン溶液の形で選択的に絶縁が適用されてよく、これは蒸発することが可能である。   The attached polypyrrole film is then sliced on a cryo-microtome (e.g., UltraPro 5000 available from Vibratome, St. Louis, MO). In the illustrated embodiment, the cross-sectional thickness is selected equal to the film thickness to produce a square cross-section wire. Of course, it should be understood that any thickness and any cross-sectional shape may be selected depending on the particular application and the type of microwire or nanowire desired to be produced. The wire is collected from the microtome on the glass slide, warmed to room temperature and dried. Insulation may be applied selectively in the form of a poly (ethylene oxide) in dichloromethane solution, which can evaporate.

別の実施形態では、導電性ポリマーナノワイヤは、従来のプラスチック処理技術を用いて作製される。具体的には、有機溶剤中に可溶で、溶解処理することができる多くの導電性ポリマーが本発明によって利用され得る。これらの処理可能な材料は、ポリアニリン、置換されたポリチオフェンおよび置換されたポリピロールを含むが、これらには限定されない。好ましい実施形態では、処理可能な物質はそれほど導電性でなくてもよいが、その一方で脳インターフェース用途向けに十分な導電性をまだ維持している。他の好ましい実施形態では、処理可能な物質は、他の材料ほど処理に適さないかもしれないが、生物学的適合性のためのより高い可能性を維持する。一実施形態では、知的なナノ構造の足場は、合成中の、ポリアニリンのフィルム／ファイバの表面上およびポリマー構造体の中へのラミニンの粘着性ペプチド、ＹＩＧＳＲの共有結合によって作ることができる。   In another embodiment, the conductive polymer nanowires are made using conventional plastic processing techniques. Specifically, many conductive polymers that are soluble in an organic solvent and can be dissolved can be utilized by the present invention. These processable materials include, but are not limited to, polyaniline, substituted polythiophene and substituted polypyrrole. In a preferred embodiment, the processable material may not be as conductive, while still maintaining sufficient conductivity for brain interface applications. In other preferred embodiments, the processable material may be less suitable for processing than other materials, but retains a higher potential for biocompatibility. In one embodiment, an intelligent nanostructured scaffold can be made by covalent attachment of the laminin adhesive peptide, YIGSR, on the surface of the polyaniline film / fiber and into the polymer structure during synthesis.

一実施形態では、導電性ポリマーナノワイヤは、光ファイバの製造に類似して、予備成形物から処理可能な材料を引き出すことにより作製される。予備成形物からナノワイヤを引き出すことが反復可能なフィーチャサイズをもたらす。ファイバ引出し技術を用いると、所望のサイズまで引き出され得る複数の導体および／またはシールドを有する複雑な導電性ポリマーワイヤ予備成形物を作製することができる。一実施形態では、ファイバ引出し技術によって作製されたナノワイヤは、カーボンブラック、グラファイト、金属粒子、炭素繊維、真性の導電性ポリマー、フラーレン、カーボンナノチューブおよびそれらの混合物を含むがこれらには限定されない除去可能な充填物質を含む。別の実施形態では、予備成形物から引き出されたナノワイヤは、引き出されたワイヤ中に複数のワイヤを備える。予備成形物から引き出されるナノワイヤは、任意選択で、処理可能な前駆物質を有する導電性ポリマーから与えることができる。例えば、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）は、ポリ［ｐ−キシレン−アルファ−ジメチルダルフォニウム（ｄｉｍｅｔｈｙｌｄｕｌｆｏｎｉｕｍ）クロライド］、ＰＸＤＭＣの熱変換中に準備することができる。これらの処理可能な前駆物質は、標準的な方法を用いて、絶縁性前駆物質から導電性ポリマーに変換することができる。例えば、１１５℃より高温でＰＸＤＭＣを加熱する際、脱離反応が起きて前駆物質を導電性ポリマーに変換する。好ましい実施形態では、導電性ポリマーナノワイヤは、ファイバ引出し技術によってワイヤが様々な直径を有するように作製される。   In one embodiment, conductive polymer nanowires are made by extracting processable material from a preform, similar to the manufacture of optical fibers. Pulling the nanowire from the preform results in a repeatable feature size. Using fiber draw technology, complex conductive polymer wire preforms can be made having multiple conductors and / or shields that can be drawn to a desired size. In one embodiment, nanowires made by fiber draw technology are removable including, but not limited to, carbon black, graphite, metal particles, carbon fibers, intrinsically conductive polymers, fullerenes, carbon nanotubes and mixtures thereof. Containing filling material. In another embodiment, the nanowire drawn from the preform comprises a plurality of wires in the drawn wire. Nanowires drawn from the preform can optionally be provided from a conductive polymer having a processable precursor. For example, poly (p-phenylene vinylene) (PPV) can be prepared during the thermal conversion of poly [p-xylene-alpha-dimethyldulphonium chloride], PXDMC. These processable precursors can be converted from insulating precursors to conducting polymers using standard methods. For example, when PXDMC is heated at a temperature higher than 115 ° C., a desorption reaction occurs to convert the precursor into a conductive polymer. In a preferred embodiment, the conductive polymer nanowires are made by fiber draw technology so that the wires have various diameters.

導電性ポリマーの溶解性のために、導電性ポリマーナノワイヤはコアシェルエレクトロスピニング法によって製作することができる。コアシェルエレクトロスピニング法では、導電性ポリマーが、絶縁性のエレクトロスピニング可能な流体のジェットのコアとして使用され、結果として生じるナノワイヤが絶縁被膜を有する導電性ポリマーコアを有する。エレクトロスピニングされたファイバは、回転するドラム電極に向けることができ、連続的な長いナノワイヤを作製する。絶縁物質は、適切な溶剤に溶かすことができ、外部接続およびチップの変更が可能になる。   Due to the solubility of the conductive polymer, the conductive polymer nanowires can be fabricated by a core-shell electrospinning method. In the core-shell electrospinning method, a conductive polymer is used as the core of an insulating electrospinable fluid jet and the resulting nanowire has a conductive polymer core with an insulating coating. The electrospun fiber can be directed to a rotating drum electrode, creating a continuous long nanowire. The insulating material can be dissolved in a suitable solvent, allowing external connections and chip changes.

好ましい実施形態では、本発明のナノワイヤは、脳−マシンプローブで使用するために１００ｎｍから１ｍｍの範囲の様々な直径を有する。本発明のナノワイヤは、様々な電圧で使用することができる。ナノワイヤは１６０Ｖを超える電圧に耐えることができ、好ましくは、生体用途向けには０〜１００Ｖで劣化しないことである。図３を参照すると、導電性ポリマーワイヤを通って流れる電流密度を電界の関数として大きな電界範囲にわたって表すグラフが示されている。   In preferred embodiments, the nanowires of the present invention have various diameters ranging from 100 nm to 1 mm for use in brain-machine probes. The nanowire of the present invention can be used at various voltages. Nanowires can withstand voltages above 160V and preferably do not degrade at 0-100V for biological applications. Referring to FIG. 3, a graph is shown that represents the current density flowing through a conductive polymer wire over a large electric field range as a function of electric field.

本発明の導電性ポリマーナノワイヤは、向上した柔軟性、生物学的適合性および操縦性を示す。生物学的適合性は、固体／液体の境界面での自由エネルギー、表面の疎水性／親水性の特性および表面の化学的性質／電荷密度を含むいくつかの要因によって影響を受ける。中立のポリマーおよびポリアニオンは、ポリカチオンほど細胞障害性でないように見える。ポリマーの柔軟性、表面の粗さおよび分子量も、生物学的適合性に影響を及ぼすことが証明されている。低分子量ポリマーは、タンパク質吸収がより低く、より低い血小板粘着を示す（例えばＷａｎｇ、Ｐｈａｒｍ．Ｒｅｓ．（２００４）２１、１３６２−１３７３を参照されたい）。   The conductive polymer nanowires of the present invention exhibit improved flexibility, biocompatibility and maneuverability. Biocompatibility is affected by several factors including free energy at the solid / liquid interface, surface hydrophobicity / hydrophilic properties and surface chemistry / charge density. Neutral polymers and polyanions appear to be less cytotoxic than polycations. Polymer flexibility, surface roughness and molecular weight have also been shown to affect biocompatibility. Low molecular weight polymers have lower protein absorption and lower platelet adhesion (see, for example, Wang, Pharm. Res. (2004) 21, 1362-1373).

より詳細には、導電性ポリマーナノワイヤは、本明細書に説明されたいくつかの態様を伴う神経脈管のインターフェース方法およびシステムに利用することができる。これらの態様は、（ａ）最適の、血管を貫く記録条件の割り出しと、（ｂ）血管内に導電性ポリマーナノワイヤを導入して導くための技術と、（ｃ）血管内の所定の位置にナノワイヤを固定するための技術と、（ｄ）ナノワイヤの設計を援助するためのデータ収集と、（ｅ）記録するナノワイヤ、前置増幅器および増幅器、信号処理、ならびに信号の収集および記録を最適化する他のやり方のための最適特性の割り出しとを含む。本発明の導電性ポリマーナノワイヤによって、電気的刺激と細胞の増殖および調整の結合が可能になる。   More particularly, the conductive polymer nanowires can be utilized in neurovascular interface methods and systems with several aspects described herein. These aspects include: (a) determining optimal recording conditions through blood vessels; (b) techniques for introducing and guiding conductive polymer nanowires into blood vessels; and (c) at predetermined positions within blood vessels. Techniques for immobilizing nanowires; (d) data collection to aid in nanowire design; (e) optimizing nanowires to record, preamplifiers and amplifiers, signal processing, and signal collection and recording And determining optimal properties for other ways. The conductive polymer nanowires of the present invention allow a combination of electrical stimulation and cell growth and regulation.

本発明の導電性ポリマーナノワイヤは、脳ナノワイヤ用途で破壊する優れた抵抗を有する。金または白金など展性のある材料は、最小限の力で変形することになる。導電性ポリマーは展性がなく、したがって、血液微粒子の衝撃による変形に対してより抵抗性がある。   The conductive polymer nanowire of the present invention has excellent resistance to break in brain nanowire applications. A malleable material such as gold or platinum will deform with minimal force. Conductive polymers are not malleable and are therefore more resistant to deformation due to the impact of blood particulates.

第１の例示の実施形態によれば、腸の神経系（ＥＮＳ）からの血管を貫く電気的な活動が記録される。機能的には、ＥＮＳは、律動的活動ばかりでなく固有の反射応答ができるという点で簡単な脳に似ている。したがって、ＥＮＳ内に様々な活動を記録することができる。   According to a first exemplary embodiment, electrical activity through blood vessels from the enteric nervous system (ENS) is recorded. Functionally, ENS resembles a simple brain in that it has an intrinsic reflex response as well as rhythmic activity. Therefore, various activities can be recorded in the ENS.

解剖学的に、ＥＮＳおよびその血液供給は容易に接触可能である。具体的には、小腸の神経分布は特に好ましい。哺乳動物では、上腸間膜動脈は腎臓のレベルで下行大動脈の中線から出現する。動脈が下るとともに、それは吻合ループの格子を形成する多数の腸間膜の枝路へ分岐する。まっすぐな動脈（直細動脈）は、ループから離れて進み、小腸に入る。図５を参照すると、蛙の消化管および腸間膜の一部を示すｉｎ ｓｉｔｕ図が示されている。   Anatomically, the ENS and its blood supply are easily accessible. Specifically, the nerve distribution in the small intestine is particularly preferred. In mammals, the superior mesenteric artery emerges from the midline of the descending aorta at the kidney level. As the artery descends, it branches into a number of mesenteric branches that form the lattice of the anastomosis loop. A straight artery (straight arteriole) travels away from the loop and enters the small intestine. Referring to FIG. 5, an in situ diagram showing a part of the digestive tract and mesentery of the vagina is shown.

各電極配列は、極めて多数の様々な全長の絶縁された導電性ポリマーナノワイヤを備える。各電極の直径は、０．１〜１０μｍであり得る。例示の実施形態では、１ミリメートルの直径を有するカテーテルによって配置され得る０．５μｍの直径を有する導電性ポリマーナノワイヤの数は、約３００万である。   Each electrode arrangement comprises a large number of different full length insulated conductive polymer nanowires. The diameter of each electrode can be 0.1-10 μm. In an exemplary embodiment, the number of conductive polymer nanowires having a diameter of 0.5 μm that can be deployed by a catheter having a diameter of 1 millimeter is about 3 million.

配列内の各導電性ポリマーナノワイヤは、選択的に、小さな拡張、むき出しの拡張、カップ状の拡張で終わり、これが周囲の流体に対して電気接点を与え、体内の例えば血管網内で電極の移動を支援するための「帆」として働く。電極ヘッドの最適の寸法および設計形状は、様々な直径の血管内で電極に作用する力次第である。電極が一旦血管中にあると、血液の流れによって全長に延びるまで運ばれる。図６を参照すると、活動が監視されるべき神経線維に最も近い血管内の、ナノ電極の配置が示されている。   Each conducting polymer nanowire in the array selectively ends with a small extension, bare extension, cup-like extension, which provides electrical contact to the surrounding fluid and moves the electrode within the body, for example, within the vascular network Work as a "sail" to support. The optimum size and design shape of the electrode head depends on the force acting on the electrode in blood vessels of various diameters. Once the electrode is in the blood vessel, it is carried by the blood flow until it reaches its full length. Referring to FIG. 6, the placement of the nanoelectrode in the blood vessel closest to the nerve fiber whose activity is to be monitored is shown.

最も小さな血管要素である毛細血管は、導電性ポリマーナノワイヤ（直径０．１〜１０μｍ）よりかなり大きい（直径１５〜２５μｍ）。そのため、小動脈および細動脈内の運動に対する耐性は最小限である。血圧は心臓からの距離とともに低下するが、ナノワイヤを適所へ移動させる十分な圧力を与えるはずである。心臓に、より接近している大きな血管では、血圧は各心拍で強力に鼓動し、血流速度は最大である。心臓からの距離の増加とともに血管径が縮小するのに伴って、血管の合計面積は急激に増加する。流れは層流になり、遅くなる。そのため、独立した血管枝路を通る血流は比較的一定であるものと見ることができる。   Capillaries, the smallest vascular element, are significantly larger (15-25 μm in diameter) than conductive polymer nanowires (0.1-10 μm in diameter). As such, resistance to movement within small arteries and arterioles is minimal. Blood pressure decreases with distance from the heart, but should provide sufficient pressure to move the nanowire in place. In large blood vessels that are closer to the heart, blood pressure beats strongly with each heartbeat and blood flow velocity is maximum. As the vessel diameter decreases with increasing distance from the heart, the total area of the vessel increases rapidly. The flow becomes laminar and slow. Therefore, it can be seen that the blood flow through the independent vessel branch is relatively constant.

本発明のインターフェースに含まれる電極のサイズの認識を与えるために、図７Ａおよび図７Ｂに、比較する目的で、例示の脳内のニューロ−血管構造およびその中のナノワイヤ電極を示す。図７Ａは、複数の毛細血管（ｈ）（この場合は少なくとも２０本）によって貫通されるニューロンの特有の樹枝状ツリーを有する個々のプルキンエ細胞を示す。図７Ｂは、図７Ａの一部を拡大した詳細を示し、プルキンエ細胞の毛細血管内の直径が０．９μｍであるナノワイヤ３００を示す。   To provide a recognition of the size of the electrodes included in the interface of the present invention, FIGS. 7A and 7B show, for comparison purposes, exemplary neuro-vascular structures in the brain and nanowire electrodes therein. FIG. 7A shows individual Purkinje cells with a unique dendritic tree of neurons penetrated by multiple capillaries (h) (in this case at least 20). FIG. 7B shows an enlarged detail of a portion of FIG. 7A, showing a nanowire 300 with a Purkinje cell capillary diameter of 0.9 μm.

神経分布に最も近い血管内の流体は、非常に小さな血管の壁が比較的大きな開口（すなわち血管の断面積の約５％）を有し、イオンによって浸透され得るので、電気的に充電される傾向がある。水およびイオンが毛細血管の細孔を通ってこれらの２つの区画間を自由に移動するので、血漿および細胞外液はイオン的にも浸透的にも平衡である。そのため、血管内の電位は、血管外部の電位に類似するかまたはその電位を反映する。これよって、近くの血管に組み込まれた導電性ポリマーナノワイヤを使用して神経線維またはニューロンの電気的活動を記録することが可能になる。好ましい実施形態では、より高い精度のために、導電性ポリマーナノワイヤを複数の近傍の血管へ向けることができる。   The fluid in the blood vessel closest to the nerve distribution is electrically charged because the very small blood vessel wall has a relatively large opening (ie, about 5% of the cross-sectional area of the blood vessel) and can be permeated by ions. Tend. Plasma and extracellular fluid are both ionic and osmotic in equilibrium as water and ions move freely between these two compartments through the capillary pores. Therefore, the potential in the blood vessel is similar to or reflects the potential outside the blood vessel. This makes it possible to record the electrical activity of nerve fibers or neurons using conductive polymer nanowires incorporated in nearby blood vessels. In a preferred embodiment, conductive polymer nanowires can be directed to multiple nearby vessels for greater accuracy.

大きな血管は、血管壁を通るイオンの流れを妨げる筋肉および線維組織の両方を含む（大動脈の平滑筋も、低振幅の電気信号を発生し得る）。したがって、電極が動脈から小動脈を経て毛細血管へと移動するのにつれて、神経の電気信号の振幅は増加するはずである。血管内に様々な全長のいくつかの導電性ポリマーナノワイヤを放流することによって、いくつかのポイントから記録を得ることができる。次いで、ナノワイヤからの信号は、増幅および処理されて、記録および解析することができる。これらの信号は、ナノワイヤの近くに配置された従来の細胞外のワイヤボール電極を使用して作製されたものと比較することもできる。これは、血管内で信号を頑健に記録することができる、神経からの最大距離を求めるのに役立つ。   Large blood vessels include both muscle and fibrous tissue that impedes the flow of ions through the vessel wall (aortic smooth muscle can also generate low amplitude electrical signals). Therefore, as the electrode moves from the artery through the small artery to the capillary, the amplitude of the nerve electrical signal should increase. Records can be obtained from several points by flushing several conductive polymer nanowires of varying lengths into the blood vessel. The signal from the nanowire can then be amplified and processed and recorded and analyzed. These signals can also be compared to those made using conventional extracellular wireball electrodes placed near the nanowires. This helps to determine the maximum distance from the nerve that can robustly record the signal within the blood vessel.

導かれた電気信号は、アナログ形式であり、さらなる処理のためにデジタル形式に変換しなければならない。次に図８を参照すると、これはアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３３０を使用して達成される。受け取られた信号は、アナログデジタル変換に先立って、増幅器３１０によってまず増幅され、バンドパスフィルタ３２０によってフィルタリングされてよい。単一のＡＤＣが、いくつかの電極に向けて多重化されてよい。次いで、本明細書に説明されるように、ＡＤＣ ３３０のデジタル出力は、さらなる処理のためにコンピュータ３５０に与えられてよい。同時サンプリングのために、各チャネルは独自の増幅器を有し、ＡＤＣへサンプルアンドホールドして多重化する。高速化のために、共通クロックおよび多チャネルメモリを使用して、各チャネルを独立させてよい。単一チャネルでは都合よく動作するかもしれないが、多くのチャネルが高周波数の信号で同時に動作している間、そのような装置の性能はチャネルクロストークのためにひどく悪化することがある。これは、特に電極数の増加および電極サイズの縮小に対する複数の導電性ポリマーナノワイヤ信号経路の間の懸念である。市販で多チャネルのアナログ入力モジュールがある。多くのチャネルが同時に動作する可能性が比較的低いので、そのような装置は、ほとんどの状況に対して適当である。さらに性能を向上させるために、各個別チャネルのアナログ回路をデジタル回路から絶縁するべきである。   The derived electrical signal is in analog form and must be converted to digital form for further processing. Referring now to FIG. 8, this is accomplished using an analog to digital converter (ADC) 330. The received signal may be first amplified by amplifier 310 and filtered by bandpass filter 320 prior to analog to digital conversion. A single ADC may be multiplexed towards several electrodes. As described herein, the digital output of ADC 330 may then be provided to computer 350 for further processing. For simultaneous sampling, each channel has its own amplifier and samples and holds to the ADC for multiplexing. For speeding up, each channel may be independent using a common clock and multi-channel memory. While it may work well with a single channel, the performance of such devices may be severely degraded due to channel crosstalk while many channels are operating simultaneously with high frequency signals. This is a concern among multiple conductive polymer nanowire signal paths, especially for increasing number of electrodes and decreasing electrode size. There are commercially available multi-channel analog input modules. Such a device is suitable for most situations, as it is relatively unlikely that many channels will operate simultaneously. To further improve performance, each individual channel analog circuit should be isolated from the digital circuit.

本発明で予期され得るものなど、ノイズの多い環境でゆっくり動く信号のためには、積分型ＡＤＣが最適であろう。積分型ＡＤＣは、５０／６０Ｈｚのノイズを低減するのに効果的であるが、変換速度が低い。１００ＭＨｚまで使用可能な、１２ビットの分解能を有する最も普及しているコンバータは、逐次比較型である。高速のプログラマブルロジックデバイスは、モジュールを同期してアドレス指定する能力をもたらすことのほかに、あらゆるパイプライン遅れを説明することができる。   For signals that move slowly in noisy environments, such as can be expected with the present invention, an integrating ADC would be optimal. The integrating ADC is effective in reducing 50/60 Hz noise, but has a low conversion speed. The most popular converter with 12-bit resolution that can be used up to 100 MHz is the successive approximation type. In addition to providing the ability to address modules synchronously, a fast programmable logic device can account for any pipeline delay.

別の普及型のコンバータはシグマ／デルタ型であり、１ビットのＡＤＣおよびパイプラインで送られる非常に高いクロック速度を使用する。シグマ／デルタ型ＡＤＣは、２４ビットを超えた分解能を有することができ、ノイズに対して非常に強い。   Another popular converter is the sigma / delta type, which uses a 1-bit ADC and a very high clock rate sent in the pipeline. A sigma / delta ADC can have a resolution in excess of 24 bits and is very resistant to noise.

増幅器の信号入力は、シングルエンドでも差動でもよい。その選択は、概してシステムが動作するノイズ環境のタイプ次第である。好ましい実施形態では、優れた同相ノイズ除去をもたらすので差動入力が使用されるが、一般に複雑で大規模な回路が必要になる。ナノワイヤは直径が小さいので、その抵抗はかなりなものである（例えば１００オームから１０メガオーム）。そのため、電極と増幅器の信号入力の間のインピーダンスを整合させるときは、特別な注意を払うべきである。   The signal input of the amplifier may be single-ended or differential. The choice will generally depend on the type of noise environment in which the system operates. In the preferred embodiment, differential inputs are used because they provide excellent common mode noise rejection, but generally complex and large circuits are required. Since nanowires are small in diameter, their resistance is considerable (eg, 100 ohms to 10 megaohms). Therefore, special care should be taken when matching the impedance between the electrode and the signal input of the amplifier.

本発明で使用される増幅器は、監視されるべき信号を追跡することができることを保証するために十分に広い帯域幅を有するべきである。好ましい実施形態では、帯域幅は０Ｈｚから１００ｋＨｚの範囲である。ＡＤＣ用のサンプリングクロック周波数は、増幅器の帯域幅の少なくとも２倍であるべきである。   The amplifier used in the present invention should have a sufficiently wide bandwidth to ensure that the signal to be monitored can be tracked. In a preferred embodiment, the bandwidth ranges from 0 Hz to 100 kHz. The sampling clock frequency for the ADC should be at least twice the amplifier bandwidth.

一般に、本発明のシステムが動作する環境はノイズがあるので、総合性能を改善するために入力フィルタが使用される。ハードウェアフィルタおよび／またはソフトウェアフィルタが使用されてよい。最適のフィルタリングは、ノイズの性質およびその特性次第である。ニューロン活動の信号の一般的な周波数を考慮して、１００ｋＨｚより上の周波数を有する現象は一般にノイズと考えられ、フィルタリングされることになっている。   In general, because the environment in which the system of the present invention operates is noisy, input filters are used to improve overall performance. Hardware filters and / or software filters may be used. Optimal filtering depends on the nature of the noise and its characteristics. Considering the general frequency of signals of neuronal activity, phenomena having frequencies above 100 kHz are generally considered noise and are to be filtered.

ノイズは、局所的電場の電位のランダム変動として現われ、最終的に、電極によって測定された信号に何らかの望ましくない影響をもたらす。その上、任意のやり方で信号が処理されるかまたは伝達されるあらゆる機会にノイズが生じる。一般に、電極を取り囲む環境の不均一な性質に固有のノイズは、除去するのが最も困難である。   Noise appears as random fluctuations in the local electric field potential and ultimately has some undesirable effect on the signal measured by the electrodes. Moreover, noise occurs every time a signal is processed or transmitted in any way. In general, noise inherent in the non-uniform nature of the environment surrounding the electrode is most difficult to remove.

システムにおけるノイズは、信号に固有のノイズと外部環境によってもたらされたノイズの２種類に細分することができる。固有のノイズ応答信号は、不均一で変化する環境（例えば血液の流れ）、ノイズのある刺激信号、またはテストおよび測定の装置自体の内部の他の何らかのノイズ源によって通常もたらされる。別の固有ノイズ源は、金属電極が電解質を介して試験片と接続する場合には常に存在する電極の接触電位によるものであり、これは本発明の環境の場合である。この電位の不規則変動はノイズ源である。適切な補償手段を求めるために、このノイズの統計解析を利用することができる。外部ノイズは、漂遊電界または漂遊磁界、不十分なシールドまたは不十分な接地、不十分な回路設計、ノイズのある電源、および過大な増幅などの原因によってテストおよび測定の装置の外部で発生する。   Noise in the system can be subdivided into two types: noise inherent to the signal and noise introduced by the external environment. The inherent noise response signal is usually caused by a non-uniform and changing environment (eg, blood flow), a noisy stimulus signal, or some other noise source within the test and measurement device itself. Another source of inherent noise is due to the contact potential of the electrode that is always present when the metal electrode is connected to the specimen via the electrolyte, which is the case in the environment of the present invention. This irregular fluctuation in potential is a noise source. This statistical analysis of noise can be used to determine appropriate compensation means. External noise is generated outside of the test and measurement equipment due to causes such as stray or stray fields, poor shielding or grounding, poor circuit design, noisy power supplies, and excessive amplification.

固有ノイズを除去しないと、信号とともに増幅されることになる。したがって、信号処理の初期段階でノイズを除去することが望ましい。この目的のために選択的フィルタリングを用いることができる。例えば、高周波ノイズを除去するために、適切な遮断周波数およびロールオフを有するバンドパスフィルタリングを用いることにより周波数窓が生成され得て、基本的にロウパスフィルタをもたらす。   If the inherent noise is not removed, it will be amplified along with the signal. Therefore, it is desirable to remove noise at the initial stage of signal processing. Selective filtering can be used for this purpose. For example, to remove high frequency noise, a frequency window can be generated by using bandpass filtering with an appropriate cut-off frequency and roll-off, essentially resulting in a low-pass filter.

いわゆる同相ノイズ（例えば周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電磁波を発生する電源によるノイズ）を除去するために、２つの電極を使用して差動信号を測定してよい。次いで、差動信号は差動増幅器へ入力され得る。同相ノイズは被測定信号よりはるかに強くなり得る。２つの入力が使用されると、差動増幅器は、どちらの入力にも存在する同相ノイズを基本的に引き去り、こうして真の信号だけを増幅することになる。   In order to remove so-called common-mode noise (for example, noise caused by a power source generating an electromagnetic wave having a frequency of 50 Hz or 60 Hz), a differential signal may be measured using two electrodes. The differential signal can then be input to a differential amplifier. Common mode noise can be much stronger than the signal under measurement. If two inputs are used, the differential amplifier will essentially remove the common mode noise present at either input, thus amplifying only the true signal.

システムのノイズに対する許容範囲を求める重要な要因は、被測定信号中のノイズの量（すなわち信号対雑音比）（ＳＮＲ）である。ＳＮＲはバックグラウンドノイズに対する信号強度の指標である。入力信号の強度がＶ_Ｓ（通常ミリボルト台）で、ノイズレベルがＶ_Ｎであると、信号対雑音比（デシベル）は次式となる。
ＳＮＲ＝２０ｌｏｇ_１０（Ｖ_Ｓ／Ｖ_Ｎ） An important factor in determining the tolerance for system noise is the amount of noise in the signal under measurement (ie, signal-to-noise ratio) (SNR). SNR is an indicator of signal strength against background noise. When the intensity of the input signal is V _S (usually in the millivolt range) and the noise level is V _N , the signal-to-noise ratio (decibel) is as follows.
SNR = 20 log ₁₀ (V _S / V _N )

Ｖ_Ｓ＝Ｖ_Ｎであると、ＳＮＲ＝０となる。この状況では、ノイズレベルが信号と厳しく競合するので、信号は不鮮明ともいえる。これは、データに強い不規則性をもたらし、その結果すべての信号処理操作に問題を引き起こすであろう。理想的には、ＳＮＲが大きな正の数となるように、Ｖ_ＳはＶ_Ｎよりはるかに大きな値をとるべきである。例として、Ｖ_Ｓ＝１０．０ミリボルトでＶ_Ｎ＝１．０ミリボルトの場合、ＳＮＲ＝２０ｄＢとなり、ほとんどの用途に対してかなり明確に認識可能な信号をもたらす。例えば信号が２．０ミリボルトとはるかに弱いが、まだノイズを上回る場合、ＳＮＲ＝６ｄＢとなり、ほとんど余裕のない状況である。信号対雑音比が低いほど、信号を回復するために大きな計算上の労力が必要とされる（ある程度の誤差を伴う）。 When V _S = V _N , SNR = 0. In this situation, the signal is unclear because the noise level is severely competing with the signal. This will result in strong irregularities in the data and consequently cause problems for all signal processing operations. Ideally, V _S should take a much larger value than V _N so that the SNR is a large positive number. As an example, if V _S = 10.0 millivolts and V _N = 1.0 millivolts, then SNR = 20 dB, resulting in a fairly clearly recognizable signal for most applications. For example, if the signal is much weaker at 2.0 millivolts but still exceeds the noise, SNR = 6 dB, so there is almost no margin. The lower the signal to noise ratio, the more computational effort is required to recover the signal (with some error).

ＳＮＲの測定にはいくつかの方法がある。１０ＭＨｚの帯域幅を有するオシロスコープを使用する例示の方法では、調査するべき電極（増幅の後）からの出力を接続し、信号の「黒レベル」を観察する。黒レベルは、いかなる外部刺激の印加もなしで測定されるべきである。これがＶ_Ｎ、すなわちノイズ信号を表す。 There are several methods for measuring SNR. In an exemplary method using an oscilloscope with a bandwidth of 10 MHz, connect the output from the electrode to be investigated (after amplification) and observe the “black level” of the signal. The black level should be measured without any external stimulus applied. This represents V _N , that is, a noise signal.

ナノワイヤによって記録された信号は、対応する神経のダイナミクスに対して調子が合って変化する物理的変数（電流または電圧）を表す。そのため、本発明の性能を最適化するために、以下の要因を考慮に入れるべきである。第１に、すべての電極が「正確な」位置に位置決めされるとは限らないであろう。すなわち、いくつかの電極は、あらゆるニューロンからあまりにも遠くて信頼できるデータをもたらすことができないかもしれず、一方、他のものは損傷を受けているかもしれない。第２に、２つの電極が、単一ニューロンの近傍ではあるがニューロンから異なった距離で配置されると、同じニューロンの挙動を表すのに振幅の異なる別の出力電圧パターンを生じることになる。第３に、電極が複数のニューロンの活動を同時に記録するとき、信号対雑音比が最適ではないかもしれない。   The signal recorded by the nanowire represents a physical variable (current or voltage) that varies in tune with the corresponding neural dynamics. Therefore, the following factors should be taken into account in order to optimize the performance of the present invention. First, not all electrodes will be positioned in “exact” positions. That is, some electrodes may be too far away from any neuron to provide reliable data, while others may be damaged. Second, if the two electrodes are placed in the vicinity of a single neuron but at different distances from the neuron, they will produce different output voltage patterns with different amplitudes to represent the same neuronal behavior. Third, the signal-to-noise ratio may not be optimal when the electrode records the activity of multiple neurons simultaneously.

本発明は、極めて多数の信号を扱う負荷にも取り組む一方で優れたノイズ性能をもたらす、ナノワイヤによって捕えられた信号を処理する方法を提供する。この目的のために、本発明の例示の実施形態では、ナノワイヤのアナログ出力信号は、以下のようにバイナリ形式に変換される。
ｘ_ｎ（ｔ）＞ｘ_ｔｈｒｒ‖ｔ−ｔ_ｊ−１＜τであるとき、１
そうでなければ、ｘ^ｂｉｎ _ｎｂｉｎ（ｊ）＝０
上式で、ｔ_ｊはパルスの開始時間、ｘ_ｎ（ｔ）は電極ｎの時間信号、τは出力パルス（すなわちデジタル化された信号）の持続時間である。ｘ_ｔｈｒは閾値であって、もし入力信号ｘ_ｎ（ｔ）がこれを超過すると、出力パルスが発生することになる。閾値ｘ_ｔｈｒを適切に選択することによって、ノイズの影響はかなり低減される。その上、広範囲に変化する信号振幅を扱う問題が解消される。デジタル化されたパルスの持続時間τは固定されてよい（例えば５ｍｓ）。上式によって表された処理が、図９Ａおよび図９Ｂに示されている。バイナリ変換方式のハードウェアの実現は、図１０Ｂおよび図１０Ｃに関して以下でより十分に説明される。 The present invention provides a method for processing signals captured by nanowires that also address loads dealing with a very large number of signals while providing excellent noise performance. To this end, in an exemplary embodiment of the invention, the nanowire analog output signal is converted to binary form as follows.
When x _n (t)> x _thr r ‖t−t _j−1 <τ, 1
Otherwise, x ^bin _n bin (j) = 0
_Where t _j is the pulse start time, x _n (t) is the time signal of electrode n, and τ is the duration of the output pulse (ie, the digitized signal). x _thr is a threshold value, and if the input signal x _n (t) exceeds this, an output pulse will be generated. By appropriately selecting the threshold x _thr , the effects of noise are significantly reduced. In addition, the problem of dealing with signal amplitudes that vary over a wide range is eliminated. The duration τ of the digitized pulse may be fixed (eg 5 ms). The process represented by the above equation is shown in FIGS. 9A and 9B. The implementation of binary conversion hardware is described more fully below with respect to FIGS. 10B and 10C.

所定の期間（例えば１０秒）を超えて活動状態を示さない電極は無視することができる。さらに、バイナリデータの解析は、アナログデータとは対照的に、処理および保存の利点をもたらす。例えば、メモリ使用量がかなり低減され、計算の複雑さおよび計算時間も同様である。これは、処理するべき信号数が多い点を考慮すれば、特に重要なことである。その上、活動電位ダイナミクスを研究する目的にとって、ニューロン活動のそのようなバイナリ表現は十分に正確なはずである。様々な行動のニューロン状態は様々な燃焼速度を生ずる。ニューロンが主に活動電位によって互いと通信するように見えるので、上記の単純化は、有効な信号の内容を過度に廃棄することなく合理的である。   Electrodes that do not show activity for a predetermined period (eg, 10 seconds) can be ignored. Furthermore, the analysis of binary data provides processing and storage advantages as opposed to analog data. For example, memory usage is significantly reduced, as are computational complexity and computation time. This is particularly important in view of the large number of signals to be processed. Moreover, for the purpose of studying action potential dynamics, such a binary representation of neuronal activity should be sufficiently accurate. Different behavioral neuron states result in different burning rates. Since the neurons appear to communicate with each other primarily by action potentials, the above simplification is reasonable without undue discarding of valid signal content.

図１０Ａは、本発明によってインターフェース装置を配置するために使用することができる従来のカテーテル挿入方法を示す。図１０Ａに示されるように、カテーテルは大腿動脈へ導入され、アドレス指定される血管領域まで押される。カテーテルも頚動脈または鎖骨下動脈へ差し込まれてよい。そのような方法は、カテーテルが中枢神経系のあらゆる部分に導かれるインターベンショナル神経放射線学技術に似ている。   FIG. 10A shows a conventional catheter insertion method that can be used to deploy an interface device in accordance with the present invention. As shown in FIG. 10A, the catheter is introduced into the femoral artery and pushed to the addressed vascular region. A catheter may also be inserted into the carotid or subclavian artery. Such a method is similar to interventional neuroradiology techniques in which a catheter is directed to any part of the central nervous system.

一旦、監視または刺激されるべき領域に達すると、カテーテルヘッドの内部に保持された１組のリードが延びて脳の循環系へ任意に分配され得るようになる。あらゆる主要な脳血管にカテーテルを配置することができるので、いかなる毛細血管床にも到着するのに必要なナノワイヤ電極の最大長さは、約２ｃｍから３ｃｍである。したがって、中枢神経系のあらゆる領域を、ステムカテーテルを収容する親血管から多数の電極で有効範囲に含むことができる。   Once the area to be monitored or stimulated is reached, a set of leads held inside the catheter head can be extended and arbitrarily distributed to the circulatory system of the brain. Since the catheter can be placed in any major cerebral vessel, the maximum length of nanowire electrode required to reach any capillary bed is about 2 to 3 cm. Thus, any area of the central nervous system can be covered by multiple electrodes from the parent vessel that houses the stem catheter.

本発明は、移植蝸牛刺激装置に関連して使用されてもよい。病的な状態で、有毛細胞が損傷されて脳に送られるべき電気的パルスを発生しないとき、音は知覚されない。この条件下では、内耳にいくらかの残余の神経線維が常に存在し、局所的な電気的刺激でアドレス指定することができる。移植蝸牛刺激装置は、有毛細胞の機能を直接の電気的刺激で置換することにより、これら残余の線維を利用することを試みる。移植システムは、外部の音声プロセッサおよびヘッドセット、ならびに手術で移植された内部の電極配列を含む。これらの要素は、通常シリコンゴムで絶縁された白金イリジウム合金であって蝸牛に移植することができる１組の金属電極に結合される。   The present invention may be used in connection with a transplanted cochlear stimulator. In pathological conditions, no sound is perceived when hair cells are damaged and do not generate electrical pulses to be sent to the brain. Under this condition, some residual nerve fibers are always present in the inner ear and can be addressed with local electrical stimulation. The transplanted cochlear stimulator attempts to take advantage of these remaining fibers by replacing the function of hair cells with direct electrical stimulation. The implantation system includes an external voice processor and headset, and a surgically implanted internal electrode array. These elements are typically bonded to a set of metal electrodes that are platinum iridium alloys insulated with silicon rubber and can be implanted in a cochlea.

本発明の導電性ポリマーナノワイヤは、現在利用されている大きな金属配線を置換して、電気的信号システムとして使用されてよい。本発明による導電性ポリマーナノワイヤを使用することによってもたらされる利点は、蝸牛内の電気的な流れを、有毛細胞による電流の生理的な分布に似ているものに設計できることである。移植することができるポリマー電極の数が、所与の小さな直径では、現在使用されている金属電極の数の１００倍から１０００倍であり得るので、これを行うことができる。したがって、さらに多くの電極が使用され得て、より優れた有効範囲および信号分布を与えるために様々な位置に位置決めされてよい。電極数が増加することの利点は、電流の流れのためのポイント電源ではなく、充電がスペースで調整され得て、単一のケーブルシステムによって生成された単純な電気双極子以外の形状を有するという事実である。電極は、高周波音から低周波音を分離するために、蝸牛によって使用される位置コーディングに従って蝸牛内に分配される。電極は、音楽の微妙な持ち味の鑑賞を含む精巧な音声知覚に役立つ複雑な電流の流れの幾何形状を形成するように配置され得る。さらに、移植されたワイヤのチップ位置の非常に選別されたずれが、聴神経刺激および音声知覚の特定性に必要なエネルギーを最小化して、最適の導体選定に役立ち得る。他の用途に関連して利用される、血管を通る手法または血管内の手法とは対照的に、移植蝸牛刺激装置の場合には、ナノワイヤは血管外の位置に効果的に位置決めされる。   The conductive polymer nanowires of the present invention may be used as electrical signal systems, replacing the currently utilized large metal wiring. An advantage provided by using conductive polymer nanowires according to the present invention is that the electrical flow in the cochlea can be designed to resemble the physiological distribution of current by hair cells. This can be done because the number of polymer electrodes that can be implanted can be 100 to 1000 times the number of currently used metal electrodes for a given small diameter. Thus, more electrodes can be used and may be positioned at various locations to provide better coverage and signal distribution. The advantage of increasing the number of electrodes is not a point power supply for current flow, but charging can be regulated in space and has a shape other than a simple electric dipole generated by a single cable system It is a fact. The electrodes are distributed within the cochlea according to the position coding used by the cochlea to separate the low frequency sound from the high frequency sound. The electrodes can be arranged to form complex current flow geometries that are useful for sophisticated speech perception, including appreciation of the subtle taste of music. In addition, highly selected deviations in the tip position of the implanted wire can help to select optimal conductors, minimizing the energy required for acoustic nerve stimulation and speech perception specificity. In the case of a transplanted cochlear stimulator, in contrast to the vascular or intravascular approach utilized in connection with other applications, the nanowire is effectively positioned at an extravascular location.

本発明は、生来の手足の制御または人工四肢／義肢に関連して使用されてもよい。生来の手足の制御の場合には、特に生来の手足と脳の間の神経経路が切断されたか、もはや機能しない場合、本発明の導電性ポリマーナノワイヤが適切な制御／インターフェース電子回路とともに、脳と生来の手足、例えば生来の手足に関連した筋肉の間で信号を伝達するために一種の代替の電気的経路として使用され得る。   The present invention may be used in connection with native limb control or artificial / limb prostheses. In the case of native limb control, particularly when the nerve pathways between the native limb and brain are severed or no longer functioning, the conductive polymer nanowires of the present invention, together with appropriate control / interface electronics, and the brain It can be used as a kind of alternative electrical pathway to transmit signals between the muscles associated with the native limb, such as the native limb.

人工四肢／義肢の場合には、本発明の導電性ポリマーナノワイヤは、人工四肢／義肢を適切に操作し制御するために脳と人工四肢／義肢の間で信号を伝達するために、脳と義肢の制御／インターフェースの間の電気的経路として使用され得る。   In the case of an artificial limb / prosthesis, the conductive polymer nanowires of the present invention can be used to transmit signals between the brain and the artificial limb / prosthesis in order to properly manipulate and control the artificial limb / prosthesis. Can be used as an electrical path between the controls / interfaces.

図１０Ｂは、本発明による脳−マシンインターフェースデバイスのカテーテル６００の例示の実施形態の概略図である。複数の単一のナノワイヤ電極６１０が増幅器／バイナリ変換器すなわちアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）６２０に結合され、次にこの変換器がマルチプレクサ（Ｍ）６３０に結合される。図１１Ｃに、より詳細に示されるように、ＡＤＣ ６２０は、Ｎ個のナノワイヤ電極６１０．１〜６１０．Ｎの各々用の増幅器６１２．１〜６１２．Ｎおよびシュミットトリガ６１５．１〜６１５．Ｎで構築することができる。各シュミットトリガは、それぞれの増幅器からの活動電位を、バイナリ値（ＨＩＧＨ／ＬＯＷまたは１／０）を有するパルス列に変換する。そのため、あらゆる所与の瞬間では、各ナノワイヤ電極上で活動電位を表すために必要とされるのは、わずか１ビットである。   FIG. 10B is a schematic diagram of an exemplary embodiment of a catheter 600 of a brain-machine interface device according to the present invention. A plurality of single nanowire electrodes 610 are coupled to an amplifier / binary converter or analog-to-digital converter (ADC) 620 which is then coupled to a multiplexer (M) 630. As shown in more detail in FIG. 11C, the ADC 620 includes N nanowire electrodes 610.1-610. N amplifiers 612.1-612. N and Schmitt triggers 615.1-615. N can be constructed. Each Schmitt trigger converts the action potential from the respective amplifier into a pulse train having a binary value (HIGH / LOW or 1/0). Thus, at any given moment, only one bit is required to represent the action potential on each nanowire electrode.

例示の実施形態では、各電極は、直径が約０．１μｍで全長が３０ｍｍ以下であり、マイクロワイヤの長さは約１メートルである。単一のカテーテルが１つまたは複数の配列を伝え得る。このようにして、少数の廉価で堅固なマイクロワイヤがカテーテルの全長に沿って使用され得て、非常に多くのナノワイヤ電極からのデータを伝達する。   In the illustrated embodiment, each electrode has a diameter of about 0.1 μm and a total length of 30 mm or less, and the length of the microwire is about 1 meter. A single catheter can carry one or more arrays. In this way, a small number of inexpensive and robust microwires can be used along the entire length of the catheter to convey data from a very large number of nanowire electrodes.

ナノワイヤは、それらが配置される血管に沿った様々なポイントに電極を位置決めするように、好ましくは全長が様々である。好ましくは、ナノワイヤはアクチュエータとして使用され、配置されたポイントの近くで様々なポイント間で操縦され得る。ナノワイヤの全長を最小化し、したがってノイズ性能を最適化するように、回路は、好ましくはカテーテルのチップ内または最も近くに配置される。回路は、また、カテーテルのチップ内または最も近くの利用可能な限定されたスペースに組み込むために、好ましくは集積回路技術を用いて実現される。配備に先立って、ナノワイヤはカテーテルのチップの個所で区画内に巻かれる。区画が開いている（例えば機械的にはね上げ戸のように）ので、電極は血管に沿って配置されて延び、血流によって運ばれ、分岐する血管に沿って枝分かれする。   The nanowires preferably vary in overall length so as to position the electrodes at various points along the blood vessel in which they are placed. Preferably, the nanowire is used as an actuator and can be steered between various points near the placed point. The circuit is preferably placed in or closest to the tip of the catheter to minimize the total length of the nanowire and thus optimize the noise performance. The circuit is also preferably implemented using integrated circuit technology for incorporation into the limited space available in or closest to the catheter tip. Prior to deployment, the nanowires are wound into compartments at the catheter tip. Since the compartment is open (eg, like a mechanical door), the electrodes are placed and extend along the blood vessel, carried by the bloodstream, and branched along the branching blood vessel.

上で説明された、ハードウェアに関連した態様に加えて、本発明は、前述の血管装置によってもたらされる莫大な量のニューロンの情報を読み取り、格納し、状況に当てはめるソフトウェアの方法も提供する。そのような処理は、ニューロンの活動についての理解を提供するのを支援し、それによって脳の働き、さらに脳の電気生理現象と認識／運動特性の間の関係の定義への重要な窓口を与える。本発明の方法は、ニューロンの単位活動および場の電位の解析に基づいて脳の状態を分類することができる信号処理を含む。本発明は、アルゴリズムのパッケージならびにデータ解析および意志決定向けに適切かつ効果的な計算用ツールキットも提供する。   In addition to the hardware-related aspects described above, the present invention also provides a software method that reads, stores, and adapts the enormous amount of neuronal information provided by the aforementioned vascular devices. Such processing assists in providing an understanding of neuronal activity, thereby providing an important window to the definition of the relationship between brain function and brain electrophysiology and cognitive / motor characteristics. . The methods of the present invention include signal processing that can classify brain states based on analysis of neuronal unit activity and field potential. The present invention also provides algorithmic packages and appropriate and effective computational toolkits for data analysis and decision making.

本発明は、ニューロンの単位活動および場の電位の解析に基づいて脳の状態を分類することができるソフトウェアの方法を提供する。そのような方法の目標は、ニューロンの瞬間−瞬間の電気的活動を、大きくて機能的な脳の状態と、実時間で関連づけることである。ニューロンの電気的性質が、脳に起こり得るすべての状態を定義し、そのような状態が全体的な状態ダイナミクスで系統的に協調変化すると仮定されている。しかし、これは、脳活動の純粋に局所的なパターンと機能状態の特定の組の間に一対一の対応が存在することを示唆するものではない。物理的に、脳内の新規の機能状態の発生、例えば「睡眠−目覚めている状態」の移行は、ニューロンの多くの組における活動再編成に相当する。実際に、各々が他方とわずかに異なる、あり得る無限の数のパターンが存在する。この手法は、差異の小さいパターンを、機能状態の異なる比較的小さな組へ対応づけるものである。例えば、最も簡単な場合では、１）睡眠、２）目覚めている状態、３）「上記のどちらでもない」かまたは不確かな状態、例えば眠い状態の３つの全体的な機能状態だけが考慮され得る。最後の状態は、数学的なアルゴリズムの出力定義域を閉じるために必要である。というのは、そうでなければ、避けられないノイズの影響を含む、あり得るすべての入力パターンを正確に解明することは不可能なはずだからである。さらに、第３の状態は概念的な見解から重要である。例えば、目覚めている状態でのみ、光を見ることも見ないことも可能であり、したがって、睡眠中には、この状態は不確かになり得るからである。   The present invention provides a software method that can classify brain states based on neuronal unit activity and field potential analysis. The goal of such a method is to correlate neuron instant-to-instantaneous electrical activity in real time with large and functional brain states. It is postulated that the electrical properties of neurons define all possible states in the brain, and such states are systematically coordinated with the overall state dynamics. However, this does not suggest that there is a one-to-one correspondence between a purely local pattern of brain activity and a specific set of functional states. Physically, the occurrence of a new functional state in the brain, such as the transition of “sleep-wake state”, corresponds to activity reorganization in many sets of neurons. In fact, there are an infinite number of possible patterns, each slightly different from the other. In this method, a pattern having a small difference is associated with a relatively small group having a different functional state. For example, in the simplest case, only three overall functional states can be considered: 1) sleep, 2) awake state, 3) “none of the above” or uncertain states, eg sleepy state . The last state is necessary to close the output domain of the mathematical algorithm. This is because it would otherwise be impossible to accurately resolve all possible input patterns, including the inevitable effects of noise. Furthermore, the third state is important from a conceptual point of view. For example, it is possible to see or not see light only in the awake state, so this state can be uncertain during sleep.

前述のように、本発明による計算アルゴリズムの例示の実施形態は、全体的な状態の変化に関係する脳活動の変化を検出する。この活動は、多くのニューロンから得られたバイナリ時系列の組によって、すなわち空間の一時的なパターンによって表される。以下に論じられるように、この問題は、次いでパターン識別のうちの１つとなる。アルゴリズムが有効であるためには、以下の項目に対して最適化しなければならない。１）データの組に関して仮説（あり得る機能上の状態）の最小限の数を求める。２）データ記憶領域および後続のデータ操作／計算を節約する。３）データの組の増加のために、また、機能状態の数のために調整する。そして、４）堅固であること。例示の実施形態では、本発明は、クラスタ分析手法に基づく方法を提供する。   As mentioned above, exemplary embodiments of computational algorithms according to the present invention detect changes in brain activity that are related to changes in overall state. This activity is represented by a set of binary time series obtained from many neurons, ie by a temporal pattern of space. As discussed below, this problem then becomes one of pattern identification. In order for the algorithm to be effective, it must be optimized for: 1) Find the minimum number of hypotheses (possible functional states) for a data set. 2) Save data storage and subsequent data manipulation / calculation. 3) Adjust for increasing data sets and for the number of functional states. And 4) be solid. In an exemplary embodiment, the present invention provides a method based on a cluster analysis approach.

第１ステップで、所与の時間間隔にわたる活動電位をすべて含むデータの組が、長さＴの時間窓をシフトさせることにより、Ｊ個の短い時間区間に分割される。時間スケールＴは様々な目的のために変えることができ、特定のＴの値の選択は、データ解析における速度と信頼性の間の妥協である。各時間窓は、窓が不変の機能状態を包含すると仮定して「対象」または要素と呼ばれることになる。クラスタの数Ｋに関する仮説の正確な組を仮定して（例えば、目覚めている状態、睡眠状態および不確かな状態の３つの全体的な機能状態、Ｋ＝３の場合）、Ｊ個の異なる対象がＫ個の機能状態と関係づけられなければならない。   In the first step, a data set containing all action potentials over a given time interval is divided into J short time intervals by shifting the time window of length T. The time scale T can be varied for various purposes, and the selection of a particular T value is a compromise between speed and reliability in data analysis. Each time window will be referred to as a “subject” or element, assuming that the window contains an invariant functional state. Assuming an exact set of hypotheses about the number of clusters K (eg, three overall functional states of awake state, sleep state and uncertain state, if K = 3), J different subjects are Must be associated with K functional states.

アルゴリズムは、Ｋ個のランダムクラスタから開始して、次に、各クラスタ内の変化が最小限である一方でクラスタ間の変化が最大となるようにクラスタに対象を割り当てるために、それらのクラスタ間で対象を移動させる。この機能を実現するために、対象間の相違の測定が得られる。これは多次元スペースの対象間のユークリッド距離を算定することにより求めることができる。対象ｊからクラスタｋへの平均相違（すなわちｊとｋの間の距離）およびクラスタｋ内の平均相違が、図１２に示される。このアルゴリズムは、正確な相違が測定されているという仮定の下で都合よく機能する。時系列対象については、最も簡単な場合では、多次元スペースの中でニューロンの燃焼速度を座標として使用することができる。認識などの細かい機能状態を分類するのに有効であり得る他の可能な手段は、相互相関の合計に基づく相違マトリクスを含む。   The algorithm starts with K random clusters and then assigns objects to the clusters so that the changes between each cluster are minimal while the changes between the clusters are maximized. Move the target with. In order to realize this function, a measurement of the difference between objects is obtained. This can be determined by calculating the Euclidean distance between objects in a multidimensional space. The average difference from object j to cluster k (ie, the distance between j and k) and the average difference within cluster k are shown in FIG. This algorithm works conveniently under the assumption that the exact difference is being measured. For time series objects, in the simplest case, the firing rate of neurons can be used as coordinates in a multidimensional space. Other possible means that may be useful for classifying fine functional states, such as recognition, include a difference matrix based on the cross-correlation sum.

この分類アルゴリズムは「管理なし」と呼ばれてよい。それは「優れた」相違測定の仮説に基づき、いかなる最適化も含まない。この手法は管理された訓練データの組にアップグレードすることができ、データの一部分に対して分類の正確な結果が先験的に知られていて、計算の速度および信頼性の改善にフィードバックの参照として使用され得る。しかし、脳の塑性が生じるかもしれないので、このアルゴリズムは調整の後でさえ障害を起こすかもしれない。したがって、突然の誤りの可能性はフィードバックによって修正され得る。   This classification algorithm may be referred to as “no management”. It is based on the “good” difference measurement hypothesis and does not include any optimization. This method can be upgraded to a managed training data set, with accurate results of classification a priori known for a portion of the data, and feedback reference to improve computation speed and reliability Can be used as However, this algorithm may fail even after adjustment because brain plasticity may occur. Thus, the possibility of a sudden error can be corrected by feedback.

解決するべき問題の１つに、脳の働きの非定常な性質がある。これは、一見したところ、あらゆる解析に対してかなりの障害であるように思われる。しかし、この問題の詳細な研究によって、すべての機能状態が一時的であって、基本的に異なった時間スケールを有することが示されている。例えば、目覚めていることは何時間も続き得る一方で、認識は数１０ミリ秒と短いものであり得る。その上、機能状態は限定された数しか並立することができないと仮定することは可能である。これら２つの考察により、基本的に、起こり得るあらゆる機能状態を識別することができる新規の適応性アルゴリズムの構築が可能になる。   One of the problems to be solved is the non-stationary nature of brain function. At first glance, this seems to be a significant obstacle to any analysis. However, detailed studies of this problem show that all functional states are temporary and have basically different time scales. For example, awakening can last for hours, while recognition can be as short as tens of milliseconds. Moreover, it can be assumed that only a limited number of functional states can be juxtaposed. These two considerations basically allow the construction of new adaptive algorithms that can identify any possible functional state.

１）時間窓Ｔの期間、２）分割される対象のクラスタの数Ｋ、３）相違測定、の３つの主要なパラメータが登場する。分類のプロセスは、比較的長いＴ、および小さいＫで始めることができる。したがって、第１のプロセス（機能状態）は、長時間にわたって平均するために除去されることになる。さらに、パターンが少数のクラスタへ分離されているので、中位の時間スケールで他のものに対して強い影響を有する機能状態は、非常に粗い類別のために省略されることになる。次いで、クラスタ境界の第１次近似が求められ、それが最上位レベルの機能状態を確実に検出することができるとき、窓サイズＴを縮小し、かつより精細な機能状態を含める（Ｋを増やす）ことにより、段階を下げることができる。さらに、上位レベルの機能状態の「中で」作業し、かつ適合しない対象をすべて除去することが可能である。アルゴリズムのそのような変更によって、スケーラビリティおよびあり得るすべての機能状態の探索方法が可能になる。プロセスがより深い機能状態の階層へ進むと、より複雑な計算が必要になることに注目されたい。しかし、アルゴリズムの主要部分は容易に並列化することができ、したがって、並列式コンピュータまたは他の既知のプロセッサによって効果的に実行することができる。   Three main parameters appear: 1) the duration of the time window T, 2) the number K of clusters to be divided, and 3) the difference measurement. The classification process can begin with a relatively long T and a small K. Thus, the first process (functional state) will be removed for averaging over time. Furthermore, since the pattern is separated into a small number of clusters, functional states that have a strong influence on others on a medium time scale will be omitted due to the very coarse classification. Then, a first order approximation of the cluster boundary is sought, and when it can reliably detect the highest level functional state, it reduces the window size T and includes a finer functional state (increase K) ) To lower the stage. In addition, it is possible to work “in” a higher level functional state and remove all non-conforming objects. Such a modification of the algorithm allows scalability and a search method for all possible functional states. Note that more complex calculations are required as the process progresses to a deeper functional state hierarchy. However, the main part of the algorithm can be easily parallelized and thus effectively executed by a parallel computer or other known processor.

本発明は、本明細書に説明された特定の実施形態によって範囲が限定されるものではない。実際、本明細書に説明されたものに加えて本発明の様々な変更形態が、上記説明および添付の図から当業者には明らかになるはずである。そのような変更形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内であるように意図されている。   The present invention is not to be limited in scope by the specific embodiments described herein. Indeed, various modifications of the invention in addition to those described herein will become apparent to those skilled in the art from the foregoing description and accompanying drawings. Such modifications are intended to fall within the scope of the appended claims.

すべての値はある程度の近似であり、説明の目的のために与えられていることをさらに理解されたい。   It should be further understood that all values are approximate to some extent and are provided for illustrative purposes.

電気化学的合成組み立て電池の概略図である。It is the schematic of an electrochemical synthesis assembly battery. もたらされるポリピロールフィルムのるつぼ側を示す図である。FIG. 4 shows the crucible side of the resulting polypyrrole film. １５μｍの正方形断面を有する、全長が２０ｍｍの導電性ポリマーマイクロワイヤの電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of a conductive polymer microwire having a square cross section of 15 μm and a total length of 20 mm. １５μｍの正方形断面を有する、全長が２０ｍｍの導電性ポリマーマイクロワイヤのクローズアップ像の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of a close-up image of a conductive polymer microwire having a square cross section of 15 μm and a total length of 20 mm. １５μｍ×２μｍの断面を有する導電性ポリマーマイクロワイヤの電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of the conductive polymer microwire which has a cross section of 15 micrometers x 2 micrometers. 導電性ポリマーワイヤを通って流れる電流密度を電界の関数として電界の広範囲にわたって表すグラフである。Figure 6 is a graph representing the current density flowing through a conductive polymer wire over a wide range of electric fields as a function of electric field. ポリピロール用の電気化学酸化還元サイクルの分子のスペース充填モデルの縮小された状態を表す図である。FIG. 4 is a diagram representing a reduced state of a molecular space filling model of an electrochemical redox cycle for polypyrrole. ポリピロール用の電気化学酸化還元サイクルの分子のスペース充填モデルの酸化された状態を表す図である。FIG. 3 is a diagram representing an oxidized state of a molecular space filling model of an electrochemical redox cycle for polypyrrole. 蛙の消化管および腸間膜の一部を示すｉｎ ｓｉｔｕ図である。It is an in situ figure which shows a part of the digestive tract and mesentery of a sputum. 活動が監視されるべき神経線維に最も近い血管内のナノ電極の配置を示す図である。FIG. 5 shows the placement of nanoelectrodes in a blood vessel closest to the nerve fiber whose activity is to be monitored. 脳およびその関連の血管のプルキンエ細胞を示す図である。FIG. 2 shows Purkinje cells of the brain and related blood vessels. 脳およびその関連の血管のプルキンエ細胞を示す図である。FIG. 2 shows Purkinje cells of the brain and related blood vessels. ナノ電極から得られた信号の処理を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the process of the signal obtained from the nanoelectrode. 本発明によって取り込まれて処理された休止状態のニューロンの膜電位を示す図である。FIG. 4 shows the membrane potential of a resting neuron captured and processed according to the present invention. 本発明によって取り込まれて処理された活動状態のニューロンの膜電位を示す図である。FIG. 5 shows the membrane potential of active neurons captured and processed according to the present invention. 本発明による例示のカテーテル挿入方法およびデバイスを示す図である。FIG. 2 illustrates an exemplary catheter insertion method and device according to the present invention. 本発明による例示のカテーテルデバイスを示す図である。FIG. 3 shows an exemplary catheter device according to the present invention. 本発明による例示のカテーテルデバイスを示す図である。FIG. 3 shows an exemplary catheter device according to the present invention. クラスタｋに対する対象ｊの相違およびクラスタｋ内の相違の平均を示す図である。It is a figure which shows the difference of the object j with respect to the cluster k, and the average of the difference in the cluster k.

符号の説明Explanation of symbols

ｈ 毛細血管
３００ ナノワイヤ
３１０ 増幅器
３２０ バンドパスフィルタ
３３０ アナログ−デジタル変換器
３５０ コンピュータ
６００ カテーテル
６１０ ナノワイヤ電極
６１２ 増幅器
６１５ シュミットトリガ
６２０ アナログ−デジタル変換器
６３０ マルチプレクサ h capillary 300 nanowire 310 amplifier 320 bandpass filter 330 analog-to-digital converter 350 computer 600 catheter 610 nanowire electrode 612 amplifier 615 schmitt trigger 620 analog-to-digital converter 630 multiplexer

Claims (78)

複数の導電性ポリマーナノワイヤであって、各ナノワイヤが遠位端および近位端ならびに各ナノワイヤの前記遠位端にある関連のプローブ部分を有し、
前記複数の導電性ポリマーナノワイヤが監視されるべき血管領域へ配送される、複数の導電性ポリマーナノワイヤと、
前記複数の導電性ポリマーナノワイヤと電気通信している電子インターフェース回路であって、前記導電性ポリマーナノワイヤと前記導電性ポリマーナノワイヤの前記近位端の近傍にあるマイクロワイヤのインターフェースをとるためのインターフェースモジュールを備える電子インターフェース回路とを備える、血管によるプローブを使用して生体対象から電気信号を受け取るためのシステム。 A plurality of conductive polymer nanowires, each nanowire having a distal end and a proximal end and an associated probe portion at the distal end of each nanowire;
A plurality of conductive polymer nanowires, wherein the plurality of conductive polymer nanowires are delivered to a vascular region to be monitored;
An electronic interface circuit in electrical communication with the plurality of conductive polymer nanowires, the interface module for interfacing the conductive polymer nanowires and a microwire near the proximal end of the conductive polymer nanowires And a system for receiving electrical signals from a living subject using a vascular probe. 前記複数の導電性ポリマーナノワイヤを前記血管領域内へ配送するためのカテーテルと、
前記カテーテル内に配置され前記複数のナノワイヤと電気通信している信号プロセッサとをさらに備える請求項１に記載のシステム。 A catheter for delivering the plurality of conductive polymer nanowires into the vascular region;
The system of claim 1, further comprising a signal processor disposed within the catheter and in electrical communication with the plurality of nanowires. 前記信号プロセッサが、
各々が前記複数のナノワイヤのうちの１つに結合されている複数の増幅器と、
各々が前記複数の増幅器のうちの１つの出力をバイナリ表現に変換する複数のデジタル変換器と、前記複数のデジタル変換器の各出力端に結合され、前記デジタル変換器の出力を出力信号線上に多重化するマルチプレクサとを含む請求項２に記載のシステム。 The signal processor is
A plurality of amplifiers each coupled to one of the plurality of nanowires;
A plurality of digital converters, each of which converts an output of one of the plurality of amplifiers into a binary representation, and coupled to each output of the plurality of digital converters, the output of the digital converter on an output signal line The system of claim 2 including a multiplexer for multiplexing. 前記導電性ポリマーナノワイヤの各々が長手方向の導電率および半径方向の導電率によって特徴づけられ、前記長手方向の導電率が前記半径方向の導電率より少なくとも５桁以上大きい請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein each of the conductive polymer nanowires is characterized by a longitudinal conductivity and a radial conductivity, the longitudinal conductivity being at least 5 orders of magnitude greater than the radial conductivity. . 前記複数の導電性ポリマーナノワイヤの少なくとも１つの前記遠位端が選択的に偏向可能である請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein at least one of the distal ends of the plurality of conductive polymer nanowires is selectively deflectable. 前記生体対象から受け取られた前記電気信号が、コンピュータ機器を制御するために前記コンピュータ機器への入力として供給される請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the electrical signal received from the living subject is provided as an input to the computing device for controlling the computing device. 前記導電性ポリマーナノワイヤが、実質的に横方向に可撓性である請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the conductive polymer nanowire is substantially laterally flexible. 前記導電性ポリマーナノワイヤが、実質的に長手方向に剛体である請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the conductive polymer nanowire is substantially rigid in a longitudinal direction. 前記導電性ポリマーナノワイヤが、モノマー、生体高分子およびドープされた絶縁ポリマーのうちの１つから合成されたポリマーを含む請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the conductive polymer nanowire comprises a polymer synthesized from one of a monomer, a biopolymer, and a doped insulating polymer. 前記モノマーが窒素を含む芳香属化合物または複素環式化合物から成る群から選択される請求項９に記載のシステム。   10. The system of claim 9, wherein the monomer is selected from the group consisting of nitrogen containing aromatics or heterocyclic compounds. 前記導電性ポリマーナノワイヤの導電率が１０^３から１０^８Ｓ／ｍの範囲である請求項１に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the conductivity of the conductive polymer nanowire is in the range of 10 ³ to 10 ⁸ S / m. 前記導電性ポリマーナノワイヤの各々が、導電材料で被覆されたポリマーファイバを備える請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein each of the conductive polymer nanowires comprises a polymer fiber coated with a conductive material. 前記ポリマーファイバがエレクトロスピニングされたポリマーを備える請求項１２に記載のシステム。   The system of claim 12, wherein the polymer fiber comprises an electrospun polymer. 前記エレクトロスピニングされたポリマーが、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリエチレン、ジオキシチオフェン、生体高分子および絹のうちの１つを含む請求項１３に記載のシステム。   14. The system of claim 13, wherein the electrospun polymer comprises one of polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyethylene, dioxythiophene, biopolymer and silk. Ｂｒ_２、Ｃｌ_２、Ｉ_２およびＡｓＦ_５のうちの１つを含むドーパントを前記導電性ポリマーが含む請求項１２に記載のシステム。 The system of claim 12, wherein the conductive polymer comprises a dopant comprising one of Br ₂ , Cl ₂ , I ₂ and AsF ₅ . 前記ドーパントが、前記導電性ポリマーの色または体積を選択的に変化させるために使用される請求項１５に記載のシステム。   The system of claim 15, wherein the dopant is used to selectively change the color or volume of the conductive polymer. 前記ポリマーファイバがカーボンナノチューブを備える請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the polymer fiber comprises carbon nanotubes. 前記カーボンナノチューブが、スピニング法、リソグラフィパターニングによって、あるいは大きな直径のナノチューブから形成される請求項１７に記載のシステム。   The system of claim 17, wherein the carbon nanotubes are formed by spinning, lithographic patterning, or from large diameter nanotubes. 前記導電性ポリマーナノワイヤが、凍った液体の層の間にはさまれた導電性ポリマーフィルムをスライスすることにより作製される請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the conductive polymer nanowire is made by slicing a conductive polymer film sandwiched between layers of frozen liquid. 前記ナノワイヤが様々な全長を有し、各ナノワイヤの遠位端がカップ状の終端を備える請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the nanowires have various overall lengths, and the distal end of each nanowire comprises a cup-shaped end. 前記導電性ポリマーナノワイヤが、コアシェルエレクトロスピニング法プロセスおよびファイバ引出し技術のうちの１つを使用して作製される請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the conductive polymer nanowire is made using one of a core-shell electrospinning process and a fiber drawing technique. 前記導電性ポリマーナノワイヤが、カーボンブラック、グラファイト、金属粒子、炭素繊維、真性の導電性ポリマー、フラーレンおよびカーボンナノチューブのうちの１つを含む充填物質を含む請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the conductive polymer nanowire includes a filler material comprising one of carbon black, graphite, metal particles, carbon fibers, intrinsic conductive polymer, fullerene, and carbon nanotubes. 前記生体対象が蝸牛を含む請求項１に記載のシステム。   The system according to claim 1, wherein the biological object includes a cochlea. 前記生体対象が手足を含む請求項１に記載のシステム。   The system according to claim 1, wherein the biological object includes a limb. 前記生体対象から受け取られた前記信号が、義肢とインターフェースをとるために使用される請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the signal received from the living subject is used to interface with a prosthesis. 少なくとも１つの導電性ポリマーナノワイヤが、パリレンを含む絶縁体をさらに備える請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the at least one conductive polymer nanowire further comprises an insulator comprising parylene. 少なくとも１つの導電性ポリマーナノワイヤの末端領域で前記絶縁体が除去される請求項２６に記載のシステム。   27. The system of claim 26, wherein the insulator is removed at a terminal region of at least one conductive polymer nanowire. 前記絶縁体が除去される前記末端領域が、前記ナノワイヤの特性を変更する追加物質をさらに与えられる請求項２７に記載のシステム。   28. The system of claim 27, wherein the end region from which the insulator is removed is further provided with additional materials that alter the properties of the nanowire. 前記追加物質が、前記導電性ポリマーより高い導電率、および第２の物質に対する前記ポリマーの親和性と比べて前記第２の物質に対する異なった親和性のうちの１つによって特徴づけられる請求項２８に記載のシステム。   29. The additional material is characterized by one of a higher conductivity than the conductive polymer and a different affinity for the second material as compared to the affinity of the polymer for the second material. The system described in. 前記絶縁体が除去される前記末端領域が、前記末端領域に第２の層の物質を加えるために電気化学的浸漬または成長プロセスを受ける請求項２８に記載のシステム。   30. The system of claim 28, wherein the end region from which the insulator is removed undergoes an electrochemical immersion or growth process to add a second layer of material to the end region. 前記第２の層の物質が金属を含む請求項３０に記載のシステム。   32. The system of claim 30, wherein the second layer material comprises a metal. 前記金属の部分が金属塩に変換される請求項３１に記載のシステム。   32. The system of claim 31, wherein the metal portion is converted to a metal salt. 前記第２の層の物質が白金および銀のうちの１つを含む請求項３１に記載のシステム。   32. The system of claim 31, wherein the second layer material comprises one of platinum and silver. 前記複数の導電性ポリマーナノワイヤの少なくとも１つに最も近い神経組織上に位置決めされ、前記神経組織に刺激を与えるために使用される追加の導電性ポリマーナノワイヤと、
前記神経組織に前記刺激を与えた後に前記追加のナノワイヤ上のさらなる信号を観測し、前記刺激信号を前記さらなる信号と比較するための回路とをさらに備える請求項１に記載のシステム。 An additional conductive polymer nanowire positioned on the neural tissue closest to at least one of the plurality of conductive polymer nanowires and used to stimulate the neural tissue;
The system of claim 1, further comprising circuitry for observing additional signals on the additional nanowires after applying the stimulation to the neural tissue and comparing the stimulation signals with the additional signals. 前記神経組織に最も近い第２の血管内に位置決めされ、毛細血管へ差し込まれ得るように十分に小さいサイズである第２の導電性ポリマーナノワイヤと、
前記第２のナノワイヤへ刺激信号を与えるための回路とをさらに備える請求項１に記載のシステム。 A second conductive polymer nanowire that is positioned within a second blood vessel closest to the neural tissue and is small enough to be inserted into a capillary vessel;
The system of claim 1, further comprising a circuit for providing a stimulation signal to the second nanowire. 前記神経組織に最も近い第２の血管内に位置決めされ、毛細血管へ差し込まれ得るように十分に小さなサイズである第２のナノワイヤをさらに備え、前記第２のナノワイヤが監視信号を供給される請求項１に記載のシステム。   And further comprising a second nanowire positioned within a second blood vessel closest to the neural tissue and sized sufficiently small to be inserted into a capillary vessel, wherein the second nanowire is provided with a monitoring signal. Item 4. The system according to Item 1. 前記ナノワイヤからの前記信号をフィルタリングするためのフィルタと、
ニューロンの単位活動および場の電位解析のうちの１つに基づいて脳の状態を分類するためのプロセッサであって、ニューロンの電気的活動を脳の状態と関連づけ、かつ脳の状態を見極めるためにパターン識別を行うのに有効なプロセッサとをさらに備える請求項１に記載のシステム。 A filter for filtering the signal from the nanowire;
A processor for classifying brain states based on one of neuronal unit activity and field potential analysis to correlate neuronal electrical activity with brain states and to determine brain states The system of claim 1, further comprising a processor effective to perform pattern identification. 複数の導電性ポリマーナノワイヤであって、各ナノワイヤが遠位端および近位端ならびに各ナノワイヤの前記遠位端にある関連のプローブ部分を有し、
信号が伝えられる血管領域へ配送される複数の導電性ポリマーナノワイヤと、
前記複数の導電性ポリマーナノワイヤと電気通信している電子インターフェース回路であって、前記導電性ポリマーナノワイヤと前記導電性ポリマーナノワイヤの前記近位端の近傍にあるマイクロワイヤのインターフェースをとるためのインターフェースモジュールを備える電子インターフェース回路とを備える、血管によるプローブを使用して生体対象に電気信号を伝えるためのシステム。 A plurality of conductive polymer nanowires, each nanowire having a distal end and a proximal end and an associated probe portion at the distal end of each nanowire;
A plurality of conductive polymer nanowires delivered to a vascular region through which signals are transmitted;
An electronic interface circuit in electrical communication with the plurality of conductive polymer nanowires, the interface module for interfacing the conductive polymer nanowires and a microwire near the proximal end of the conductive polymer nanowires And a system for transmitting electrical signals to a living subject using a blood vessel probe. 前記複数の導電性ポリマーナノワイヤを前記血管領域内へ配送するためのカテーテルと、
前記カテーテル内に配置され前記複数のナノワイヤと電気通信している信号プロセッサとをさらに備える請求項３８に記載のシステム。 A catheter for delivering the plurality of conductive polymer nanowires into the vascular region;
40. The system of claim 38, further comprising a signal processor disposed within the catheter and in electrical communication with the plurality of nanowires. 前記導電性ポリマーナノワイヤの各々が長手方向の導電率および半径方向の導電率によって特徴づけられ、前記長手方向の導電率が前記半径方向の導電率より少なくとも５桁以上大きい請求項３８に記載のシステム。   39. The system of claim 38, wherein each of the conductive polymer nanowires is characterized by a longitudinal conductivity and a radial conductivity, wherein the longitudinal conductivity is at least 5 orders of magnitude greater than the radial conductivity. . 前記複数の導電性ポリマーナノワイヤの少なくとも１つの前記遠位端が選択的に偏向可能である請求項３８に記載のシステム。   40. The system of claim 38, wherein at least one of the distal ends of the plurality of conductive polymer nanowires is selectively deflectable. 前記生体対象から受け取られた前記電気信号が、コンピュータ機器を制御するために前記コンピュータ機器への入力として供給される請求項３８に記載のシステム。   39. The system of claim 38, wherein the electrical signal received from the living subject is provided as an input to the computing device for controlling the computing device. 前記導電性ポリマーナノワイヤの各々が、導電材料で被覆されたポリマーファイバを備える請求項３８に記載のシステム。   40. The system of claim 38, wherein each of the conductive polymer nanowires comprises a polymer fiber coated with a conductive material. 前記導電性ポリマーナノワイヤが、凍った液体の層の間にはさまれた導電性ポリマーフィルムをスライスすることにより作製される請求項３８に記載のシステム。   39. The system of claim 38, wherein the conductive polymer nanowire is made by slicing a conductive polymer film sandwiched between layers of frozen liquid. 前記ナノワイヤが様々な全長を有する請求項３８に記載のシステム。   40. The system of claim 38, wherein the nanowires have various overall lengths. 前記導電性ポリマーナノワイヤが、コアシェルエレクトロスピニング法プロセスおよびファイバ引出し技術のうちの１つを使用して作製される請求項３８に記載のシステム。   39. The system of claim 38, wherein the conductive polymer nanowire is made using one of a core shell electrospinning process and a fiber drawing technique. 前記生体対象が蝸牛を含む請求項３８に記載のシステム。   40. The system of claim 38, wherein the living subject comprises a cochlea. 前記生体対象が手足を含む請求項３８に記載のシステム。   40. The system of claim 38, wherein the living subject includes a limb. 前記伝えられた信号が義肢と関連づけられる請求項３８に記載のシステム。   40. The system of claim 38, wherein the communicated signal is associated with a prosthesis. 少なくとも１つの導電性ポリマーナノワイヤが絶縁体をさらに備え、少なくとも１つの導電性ポリマーナノワイヤの末端領域で前記絶縁体が除去され、前記絶縁体が除去される前記末端領域が、前記ナノワイヤの特性を変更する追加物質をさらに与えられる請求項３８に記載のシステム。   At least one conductive polymer nanowire further comprises an insulator, the insulator is removed at a terminal region of at least one conductive polymer nanowire, and the terminal region from which the insulator is removed alters the properties of the nanowire 40. The system of claim 38, further provided with an additional material. 前記追加物質が、前記導電性ポリマーより高い導電率、および第２の物質に対する前記ポリマーの親和性と比べて前記第２の物質に対する異なった親和性のうちの１つによって特徴づけられる請求項５０に記載のシステム。   51. The additional material is characterized by one of a higher conductivity than the conductive polymer and a different affinity for the second material as compared to the affinity of the polymer for the second material. The system described in. 前記絶縁体が除去される前記末端領域が、前記末端領域に第２の層の物質を加えるために電気化学的浸漬または成長プロセスを受け、前記第２の層の物質が金属を含む請求項５１に記載のシステム。   52. The end region from which the insulator is removed is subjected to an electrochemical immersion or growth process to add a second layer of material to the end region, and the second layer of material comprises metal. The system described in. 前記第２の層の物質が白金および銀のうちの１つを含む請求項５２に記載のシステム。   53. The system of claim 52, wherein the second layer material comprises one of platinum and silver. 前記複数の導電性ポリマーナノワイヤの少なくとも１つに最も近い神経組織上で、前記神経組織に刺激を与えるために使用される追加の導電性ポリマーナノワイヤと、
前記神経組織に前記刺激を与えた後に前記追加のナノワイヤ上のさらなる信号を観測し、前記刺激信号を前記さらなる信号と比較するための回路とをさらに備える請求項３８に記載のシステム。 An additional conductive polymer nanowire used to stimulate the neural tissue on the neural tissue closest to at least one of the plurality of conductive polymer nanowires;
39. The system of claim 38, further comprising circuitry for observing additional signals on the additional nanowires after applying the stimulation to the neural tissue and comparing the stimulation signals to the additional signals. 前記神経組織に最も近い第２の血管内に位置決めされ、毛細血管へ差し込まれ得るように十分に小さなサイズである第２の導電性ポリマーナノワイヤと、
前記第２のナノワイヤへ刺激信号を与えるための回路とをさらに備える請求項３８に記載のシステム。 A second conductive polymer nanowire that is positioned within a second blood vessel closest to the neural tissue and is small enough to be inserted into a capillary vessel;
39. The system of claim 38, further comprising circuitry for providing a stimulation signal to the second nanowire. 前記神経組織に最も近い第２の血管内に位置決めされ、毛細血管へ差し込まれ得るように十分に小さなサイズである第２のナノワイヤをさらに備え、前記第２のナノワイヤが監視信号を供給される請求項３８に記載のシステム。   And further comprising a second nanowire positioned within a second blood vessel closest to the neural tissue and sized sufficiently small to be inserted into a capillary vessel, wherein the second nanowire is provided with a monitoring signal. Item 39. The system according to Item 38. 前記ナノワイヤからの前記信号をフィルタリングするためのフィルタと、
ニューロンの単位活動および場の電位解析のうちの１つに基づいて脳の状態を分類するためのプロセッサであって、ニューロンの電気的活動を脳の状態と関連づけ、かつ脳の状態を見極めるためにパターン識別を行うのに有効なプロセッサとをさらに備える請求項３８に記載のシステム。 A filter for filtering the signal from the nanowire;
A processor for classifying brain states based on one of neuronal unit activity and field potential analysis to correlate neuronal electrical activity with brain states and to determine brain states The system of claim 38, further comprising a processor effective to perform pattern identification. 監視されるべき血管領域内に複数の導電性ポリマーナノワイヤを配置する段階であって、各ナノワイヤが、遠位端および近位端ならびに各ナノワイヤの前記遠位端にある関連のプローブ部分を有する段階と、
前記複数の導電性ポリマーナノワイヤと電気通信している電子インターフェース回路であって、前記導電性ポリマーナノワイヤと前記導電性ポリマーナノワイヤの前記近位端の近傍にあるマイクロワイヤのインターフェースをとるためのインターフェースモジュールを備える電子インターフェース回路を設ける段階とを含む、血管によるプローブを使用して生体対象から電気信号を受け取るための方法。 Disposing a plurality of conductive polymer nanowires within a vascular region to be monitored, each nanowire having a distal end and a proximal end and an associated probe portion at the distal end of each nanowire. When,
An electronic interface circuit in electrical communication with the plurality of conductive polymer nanowires, the interface module for interfacing the conductive polymer nanowires and a microwire near the proximal end of the conductive polymer nanowires Providing an electronic interface circuit comprising: receiving an electrical signal from a living subject using a vascular probe. 前記複数の導電性ポリマーナノワイヤを前記血管領域内へ配送するためのカテーテルと、
前記カテーテル内に配置され前記複数のナノワイヤと電気通信している信号プロセッサとをさらに備える請求項５８に記載のシステム。 A catheter for delivering the plurality of conductive polymer nanowires into the vascular region;
59. The system of claim 58, further comprising a signal processor disposed within the catheter and in electrical communication with the plurality of nanowires. 前記導電性ポリマーナノワイヤの各々が長手方向の導電率および半径方向の導電率によって特徴づけられ、前記長手方向の導電率が前記半径方向の導電率より少なくとも５桁以上大きい請求項５８に記載の方法。   59. The method of claim 58, wherein each of the conductive polymer nanowires is characterized by a longitudinal conductivity and a radial conductivity, wherein the longitudinal conductivity is at least 5 orders of magnitude greater than the radial conductivity. . 前記複数の導電性ポリマーナノワイヤの少なくとも１つの前記遠位端を選択的に偏向する段階をさらに含む請求項５８に記載の方法。   59. The method of claim 58, further comprising selectively deflecting at least one of the distal ends of the plurality of conductive polymer nanowires. コンピュータ機器を制御するために、前記生体対象から受け取られた前記電気信号を前記コンピュータ機器への入力として供給する段階をさらに含む請求項５８に記載の方法。   59. The method of claim 58, further comprising providing the electrical signal received from the living subject as an input to the computer device to control the computer device. 前記導電性ポリマーナノワイヤの各々が、導電材料で被覆されたポリマーファイバを備える請求項５８に記載の方法。   59. The method of claim 58, wherein each of the conductive polymer nanowires comprises a polymer fiber coated with a conductive material. 前記導電性ポリマーナノワイヤが、凍った液体の層の間にはさまれた導電性ポリマーフィルムをスライスすることにより作製される請求項５８に記載の方法。   59. The method of claim 58, wherein the conductive polymer nanowire is made by slicing a conductive polymer film sandwiched between layers of frozen liquid. 前記ナノワイヤが様々な全長を有する請求項５８に記載の方法。   59. The method of claim 58, wherein the nanowire has various overall lengths. 前記導電性ポリマーナノワイヤが、コアシェルエレクトロスピニング法プロセスおよびファイバ引出し技術のうちの１つを使用して作製される請求項５８に記載の方法。   59. The method of claim 58, wherein the conductive polymer nanowire is made using one of a core shell electrospinning process and a fiber drawing technique. 前記生体対象が蝸牛を含む請求項５８に記載の方法。   59. The method of claim 58, wherein the living subject comprises a cochlea. 前記生体対象が手足を含む請求項５８に記載の方法。   59. The method of claim 58, wherein the living subject includes a limb. 前記伝えられた信号を義肢と関連づける段階をさらに含む請求項５８に記載の方法。   59. The method of claim 58, further comprising associating the communicated signal with a prosthesis. 少なくとも１つの導電性ポリマーナノワイヤが絶縁体をさらに備え、少なくとも１つの導電性ポリマーナノワイヤの末端領域で前記絶縁体が除去され、前期絶縁体が除去される前記末端領域が、ナノワイヤの特性を変更する追加物質をさらに与えられる請求項５８に記載の方法。   At least one conductive polymer nanowire further comprises an insulator, the insulator is removed at a terminal region of the at least one conductive polymer nanowire, and the terminal region from which the pre-insulator is removed alters the properties of the nanowire. 59. The method of claim 58, further provided with additional material. 前記追加物質が、前記導電性ポリマーより高い導電率、および第２の物質に対する前記ポリマーの親和性と比べて前記第２の物質に対する異なった親和性のうちの１つによって特徴づけられる請求項７０に記載の方法。   70. The additional material is characterized by one of a higher conductivity than the conductive polymer and a different affinity for the second material compared to the affinity of the polymer for the second material. The method described in 1. 前記絶縁体が除去される前記末端領域が、前記末端領域に第２の層の物質を加えるために電気化学的浸漬または成長プロセスを受け、前記第２の層の物質が金属を含む請求項７１に記載の方法。   72. The end region from which the insulator is removed is subjected to an electrochemical dip or growth process to add a second layer of material to the end region, and the second layer of material comprises a metal. The method described in 1. 前記第２の層の物質が白金および銀のうちの１つを含む請求項７２に記載の方法。   75. The method of claim 72, wherein the second layer material comprises one of platinum and silver. 前記複数の導電性ポリマーナノワイヤの少なくとも１つに最も近い神経組織上で、前記神経組織に刺激を与えるために使用される追加の導電性ポリマーナノワイヤを設ける段階と、
前記神経組織に前記刺激を与えた後に前記追加のナノワイヤ上のさらなる信号を観測し、前記刺激信号を前記さらなる信号と比較するための回路を利用する段階とをさらに含む請求項５８に記載の方法。 Providing additional conductive polymer nanowires used to stimulate the neural tissue on neural tissue closest to at least one of the plurality of conductive polymer nanowires;
59. The method of claim 58, further comprising: observing a further signal on the additional nanowire after applying the stimulation to the neural tissue and utilizing a circuit to compare the stimulation signal with the additional signal. . 前記神経組織に最も近い第２の血管内に位置決めされ、毛細血管へ差し込まれ得るように十分に小さなサイズである第２の導電性ポリマーナノワイヤを設ける段階と、
前記第２のナノワイヤへ刺激信号を与えるための回路を利用する段階とをさらに含む請求項５８に記載の方法。 Providing a second conductive polymer nanowire that is positioned in a second blood vessel closest to the neural tissue and is sufficiently small in size so that it can be inserted into a capillary vessel;
59. The method of claim 58, further comprising utilizing a circuit for providing a stimulation signal to the second nanowire. 前記神経組織に最も近い第２の血管内に位置決めされ、毛細血管へ差し込まれ得るように十分に小さなサイズである第２のナノワイヤを設ける段階をさらに含み、前記第２のナノワイヤが監視信号を供給される請求項５８に記載の方法。   Providing a second nanowire positioned within a second blood vessel closest to the neural tissue and sized sufficiently small to be able to be inserted into a capillary vessel, the second nanowire providing a monitoring signal 59. The method of claim 58, wherein: 前記ナノワイヤからの前記信号をフィルタリングする段階と、
ニューロンの単位活動および場の電位解析のうちの１つに基づいて脳の状態を分類する段階と、
ニューロンの電気的活動を脳の状態と関連づける段階と、脳の状態を見極めるためにパターン識別を行う段階とをさらに含む請求項５８に記載の方法。 Filtering the signal from the nanowire;
Classifying brain states based on one of neuronal unit activity and field potential analysis;
59. The method of claim 58, further comprising associating neuronal electrical activity with a brain state and performing pattern identification to ascertain brain state. 電気信号が伝えられるべき血管領域内に複数の導電性ポリマーナノワイヤを配置する段階であって、各ナノワイヤが、遠位端および近位端ならびに各ナノワイヤの前記遠位端にある関連のプローブ部分を有する段階と、
前記複数の導電性ポリマーナノワイヤと電気通信している電子インターフェース回路であって、前記導電性ポリマーナノワイヤと前記導電性ポリマーナノワイヤの前記近位端の近傍にあるマイクロワイヤのインターフェースをとるためのインターフェースモジュールを備える電子インターフェース回路を設ける段階とを含む、血管によるプローブを使用して生体対象に電気信号を伝えるための方法。 Placing a plurality of conductive polymer nanowires in a vascular region in which an electrical signal is to be transmitted, each nanowire having a distal end and a proximal end and an associated probe portion at the distal end of each nanowire; Having a stage;
An electronic interface circuit in electrical communication with the plurality of conductive polymer nanowires, the interface module for interfacing the conductive polymer nanowires and a microwire near the proximal end of the conductive polymer nanowires Providing an electronic interface circuit comprising: a method of transmitting an electrical signal to a living subject using a vascular probe.